氙同位素应用及生产综述

周永胜　谢全新　耿冰霜

【摘 要】高丰度的氙同位素被广泛应用于医疗诊断、惯性导航、基础物理以及放射性同位素生产等领域，其中124Xe被用来生产放射性同位素125I，超极化气体129Xe和131Xe是肺部磁共振成像以及核磁共振陀螺仪的关键材料，而136Xe被用于浓缩氙观测站。采用专用设备进行氙同位素分离是目前获取氙同位素最有效的方法。本文对氙同位素的应用领域、分离方法以及氙同位素的生产现状进行综述。

【关键词】氙同位素；磁共振成像；核磁共振陀螺仪

Review of Application and Production of Xe Isotopes

ZHOU Yong-sheng XIE Quan-xin GENG Bing-shuang

（Institute of Physical and Chemical Engineering of Nuclear Industry， Tianjin 300180， China）

【Abstract】Xenon isotopes with high abundance are widely applied in fields such as medical diagnosis， inertial navigation， basic physics and the production of radioisotopes. 124Xe is used in the production of the radioisotope 125I， hyperpolarized 129Xe and 131Xe are the key materials of magnetic resonance imaging（MRI）and nuclear magnetic resonance gyros（NMRG）， and 136Xe is used in the enriched xenon observatory（EXO）. Separating xenon isotopes by special equipment is proved to be the most efficient method for obtaining xenon isotopes. The application fields， separation method and production current status of Xe isotopes are reviewed.

【Key words】Xenon isotopes； Magnetic resonance imaging； Nuclear magnetic resonance gyros

0 引言

氙是一种非金属元素，化学符号Xe，原子序数54，氙单质在常温下是无色无味的气体，分子以单原子构成，相对分子质量为131.30。氙属于惰性气体，化学性质极不活泼，主要存在于空气中，但含量极低，每100毫升空气中含氙约0.0087毫升。天然氙一般从液态空气中与氪一起被分离得到。氙有九种稳定同位素，各同位素及其天然含量分别为：124Xe（0.094%）、126Xe（0.089%）、128Xe（1.875%）、129Xe（26.074%）、130Xe（4.011%）、131Xe（21.210%）、132Xe（27.108%）、134Xe（10.451%）、136Xe（9.088%）。氙同位素被广泛应用于医疗诊断、惯性导航技术、基础物理研究以及放射性同位素生产等诸多领域。分离氙同位素的方法主要是气体离心法。本文主要介绍氙同位素的应用领域、氙同位素分离方法的技术特点以及国内外氙同位素生产现状。

1 Xe同位素的应用

应用最广的氙同位素主要有124Xe、129Xe、131Xe和136Xe四种同位素。

124Xe同位素作为初始靶材，通过反应堆中的中子辐照得到125Xe，125Xe经β衰变后生成放射性同位素125I。由于125I的半衰期较长（59.407 d）、γ射线能量低且无β辐射，对人体产生的辐射损伤小，因此125I在生物医学、放射免疫体外诊断和近距离植入治疗肿瘤等方面得到了广泛应用。尤其是近年来，在放射物理和放射生物学蓬勃发展的基础上，粒子植入治疗计划系统不断提高与完善，植入治疗设备不断改进，近距离治疗取得良好的临床疗效[1]。国内用稳定同位素124Xe生产放射性同位素125I的单位主要有中国核动力研究设计院、中国原子能科学研究院以及中国工程物理研究院等单位。

129Xe和131Xe是核磁共振陀螺仪的关键试验材料。陀螺仪是惯性导航和惯性测量的核心部件，主要是测量运载体的角速度，在航天、航空、航海等领域的各种运载体中通过数学变换后可以测量出运载体行进的距离、速度、角速度及姿态信息。核磁共振陀螺仪属于固态陀螺，没有运动部件，性能由原子材料决定，理论上动态测量范围无限，综合运用了量子物理、光、电磁和微电子等领域中的技术，是未来陀螺仪发展的新方向，它的诞生和发展将更进一步开拓核磁共振陀螺仪在军事和民用中的应用[2]。可以预见，随着核磁共振陀螺仪的应用与推广，129Xe和131Xe同位素的需求将不断增加。

129Xe的另一个重要应用领域是超极化129Xe磁共振成像（MRI），超极化惰性气体安全无毒，磁共振成像无放射性伤害，是一种非侵入安全有效的成像方式。利用磁共振成像方式的多样性，可以对肺部形态与功能进行多方面评估。超极化129Xe磁共振成像不仅能反映肺部的形态学信息，也可提供肺部重要的气体交换功能信息，是对现有肺部成像技术的补充。中国肺部疾病形势严重，目前有4400万慢性阻塞性肺部疾病患者，约占全球的70%。尘肺患者91万，约占全球的50%。预计到2025年，每年仅死于肺癌的人数将接近100万[3]。随着空气污染加重，肺部重大疾病已经成为非常严重的公共卫生问题，因此发展对肺部疾病影像学诊断技术刻不容缓。目前，受限于129Xe同位素的价格和超极化仪器的高技术门槛，超极化气体肺部磁共振成像尚未用于临床，但国内外医学界均已意识到这项技术的潜力，并正在开展相关技术研究。随着氙同位素生产技术的成熟以及超极化仪器的普及，可望在不久的将来，超极化129Xe磁共振成像技术将得到广泛应用。

136Xe国际上有大量需求，比如由美国斯坦福大学主导，俄罗斯、加拿大、意大利等国参与的浓缩氙观测台项目EXO（Enriched Xenon Observatory）大量需要136Xe同位素。EXO项目用136Xe同位素的双β衰变来寻找是否有“无中微子”的衰变发生。该项目分阶段进行，初始阶段叫EXO-200，于2008-2009年实施。EXO-200是指在项目中丰度为85%的液态136Xe的用量为200公斤。所有136Xe的浓缩工作由俄罗斯用离心法完成。初始阶段总投资近3千万美金，其中50%的费用花在136Xe的浓缩上，折合人民币近1亿元。接下来将扩大试验规模，EXO将用1-2吨的丰度为85%液态136Xe。

2 氙同位素的生产方法及技术特点

当前对于氙同位素主要是利用专用设备进行分离，该方法具有以下技术特点：

第一，对分离工质有严格要求，分离工质必须是气体或具有一定饱和蒸气压的单质或化合物，饱和蒸气压过低，将无法进行通料运行；分离工质的化学性质与设备材料必须相容，即不与接触的材料发生反应或腐蚀，如果工质的腐蚀性太强，将会损坏工作设备和系统，不能保证系统长期可靠运行；此外，分离工质必须具有良好的热稳定性。氙属于惰性气体，原子最外电子层的量子轨道恰好被填满，所以化学性质不活泼，稳定性强，很难与其它物质发生作用，满足上述对分离工质的所有要求。与其它同位素生产不同，氙气作为工作气体，其同位素产品可直接供用户使用，无需分离前的工质合成以及分离后的工质还原。因此在未来相当长的时间内，就分离氙同位素而言，采用专用设备进行分离是无可替代的主流方法。

第二，分离氙同位素，必须由具有一定规模的级联来完成。要把氙同位素从天然丰度浓缩到用户所需的产品丰度，单靠一台专用设备是不可能完成的，必须借助一定规模的级联。所谓级联，是由一定数量的专用设备通过串并联方式组成的分离装置。级联规模的大小取决于同位素产品的丰度和需求量。

第三，高丰度的氙同位素产品必须经过多遍分离。为使级联具有通用性，一般设计成矩形级联，考虑到轻杂质等因素的影响，级联一般不会太长。因此通过一遍分离，很难获得高丰度的氙同位素产品，要使氙同位素产品满足丰度要求，一般要通过多遍分离，即上一遍的产品作为下一遍的供料，如此循环反复，直到同位素产品达到丰度要求。

第四，分离氙同位素，必须解决轻杂质的净化问题。所用天然氙原料中多少含有一定的轻杂质，同时在生产过程中，由于级联系统中存在放气、微量漏气、渗气等现象，在级联运行过程中也会产生一些轻杂质，如H2O、N2、O2等。这些轻杂质会随着精料馏分逐渐向级联精料端传递、累积，不仅影响同位素产品的化学纯度，同时也严重影响级联稳定运行。因此，轻杂质的净化是生产氙同位素必须解决的关键技术之一。

第五，分离氙同位素，必须有切实可行的质谱分析手段。由于高丰度的氙同位素必须通过多遍分离，每一遍的级联工作状态必须根据上一遍目标同位素的丰度进行适当调整，因此及时而准确的质谱分析是氙同位素生产的必要条件。

3 国内外氙同位素生产现状

俄罗斯分离氙同位素的生产技术研究始于20世纪80年代初，90年代初已经形成规模化生产，目前已把氙的所有同位素都浓缩到了99%以上[4]。早期生产的氙同位素非常昂贵，尤其是天然含量极低的124Xe和126Xe同位素。随着俄罗斯专用设备分离技术的不断发展，以及专门针对稳定同位素分离的不同机型的问世，单机分离功率逐步提升，同时级联运行工艺也不断改进，现在俄罗斯的氙同位素的分离成本已大幅度降低，因此其氙同位素产品在国际市场具有绝对的竞争优势。除了俄罗斯，国外另一氙同位素生产厂家为Urenco公司，但其产量有限，国际市场占有份额较小。

国内氙同位素生产主要集中在核工业理化工程研究院。该研究院的氙同位素分离技术研究起步于20世纪90年代末。相继开展了氙同位素分离理论与试验研究，系统掌握了稳定同位素分离级联的设计技术及运行技术。2001年建成试验性级联系统，2002年至2004年与清华大学合作，进行了氙同位素的试生产，成功将124Xe同位素从0.096%浓缩到了99%。为扩大生产规模，2008年底新建了小批量生产级联系统，并于2009年投入运行，到目前该级联系统已经稳定运行了六年多。经过10多年的技术开发，核工业理化工程研究院已经掌握了高丰度氙同位素浓缩技术以及产品净化技术等一系列关键技术，并实现了氙同位素产品的小批量化与系列化生产，其氙同位素产品及产能如表1所示。表1中的所有氙同位素产品已经成功投入市场。

4 结论

随着氙同位素在医疗诊断、惯性导航以及基础物理等军民领域的应用与推广，氙同位素尤其是124Xe、129Xe、131Xe以及136Xe等同位素的需求将逐年增加，这将促进氙同位素分离技术以及规模化生产技术的不断发展和成熟，从而降低氙同位素的生产成本。生产成本的降低会使氙同位素的价格趋于用户可接受的合理水平，从而更进一步促进氙同位素在相关领域的应用。

几年以前，国内氙同位素产品几乎全部从国外进口，产品昂贵且供货周期长。现在国内核工业理化工程研究院已经掌握了氙同位素生产的核心技术，并已实现规模化生产，产品已经投入市场，可根据用户需求，及时提供各种丰度的氙同位素产品。这意味着氙同位素市场被俄罗斯和Urenco公司垄断的局面已被打破，国内氙同位素应用单位有了更多的选择渠道。

【参考文献】

[1]葛巨龙.125I生产现状及前景展望[J].同位素，2013，26（4）：204-207.Ge Julong， Current status and prospect of 125I production[J]. Journal of isotope， 2013， 26（4）： 204-207.

[2]陈红梅，程向红，周雨青.核磁共振陀螺仪综述[J].东南大学研究生学报，2006，4（1）：89-92. Chen Hongmei， Cheng Xianghong， Zhou Yuqing， Review of the nuclear magnetic resonance gyros[J]. Journal of graduate students southeast university， 2006， 4（1）： 89-92.

[3]张智颖，李海东，李昭，等.肺部超极化气体MR成像[J].中国医学影像技术，2013，29（5）：813-817. Zhang Zhiying， Li Haidong， Li Zhao， et al， Pulmonary MRI with hyperpolarized gas[J]. Chin J Med Imaging， 2013， 29（5）： 813-817.

[4]Baranov V YU. Isotopes： Properties， Production， Application[M]. 1st ed. Мoscow， IzDAT， 2000： 72-107.

[责任编辑：杨玉洁]