1.锎-252 简介

锎-252 (²⁵²Cf) 是一种人造放射性同位素，不天然存在于地壳中。它是一种强中子发射源，每微克每秒可发射约 2.3 x 10⁶ 个中子。其半衰期为 2.645 年（约 965 天），主要通过 α 衰变（~96.9%）和自发裂变（~3.1%）衰变。由于其独特的高中子发射能力，²⁵²Cf 在工业、医疗、科研和国防等领域具有重要应用，例如启动核反应堆、油井测井、中子水分仪、癌症中子治疗以及核材料检测等。

2.生产方法概述

²⁵²Cf 的生产是一个复杂且耗时的过程，主要在高通量核反应堆中通过长时间辐照特定锕系元素靶材实现。

•主要的生产原理：基于原子核对中子的多次俘获 (n,γ) 和伴随的 β⁻ 衰变，逐步增加原子核的质量数和质子数，从较轻的锕系核素转化到超钚核素，最终生成 ²⁵²Cf。

•常用的起始靶材料：

￮早期的探索使用α 粒子轰击钚-244或锔生成微量锎。

￮目前的工业化生产主要使用较重的锕系元素作为靶材，包括钚 (Pu)、镅 (Am)、锔 (Cm) 和锫 (Bk)。

￮尤其偏好使用重锔同位素 (²⁴⁶Cm - ²⁴⁸Cm) 或锫-249 (²⁴⁹Bk) 作为起始靶材，这可以有效降低生产过程中由于裂变损失造成的原料损耗，提高产率。从²³⁹Pu 或 ²⁴³Am 直接辐照生产 ²⁵²Cf 会导致显著的裂变损失（约 99% 和 93%）。

•关键的生产步骤和技术细节：

a.靶材制备：将精选的靶材料（如氧化锔小球或分散在金属基体中的氧化镅）封装在专用的辐照元件中。

b.反应堆辐照：将靶件放置在高通量同位素反应堆的核心区域，接受高强度中子流的长时间辐照。这个过程涉及一系列复杂的多步核反应，例如：

3.整个辐照周期通常长达近两年。
后处理与纯化：辐照后的靶件包含多种放射性核素混合物。需要在具有高级屏蔽的热室设施中进行化学后处理。常用的分离纯化技术包括溶剂萃取和离子交换层析，将²⁵²Cf 与其他锕系元素、裂变产物和靶材杂质分离，获得高纯度的 ²⁵²Cf。
源制造与封装：将纯化后的²⁵²Cf 制备成适用的物理形态（如氧化物、金属合金等），并通过电镀、共沉淀或粉末冶金等方法将其封装到高强度的容器中，制成安全可靠的中子源。

4.生产产额

²⁵²Cf 的生产产额极低，全球年产量非常有限。

•主要生产国家和机构：

￮美国橡树岭国家实验室 (Oak Ridge National Laboratory, ORNL)：通过其高通量同位素反应堆 (High Flux Isotope Reactor, HFIR) 生产²⁵²Cf，是目前全球最主要的生产机构，占据约 70% 的市场份额。

￮俄罗斯原子反应堆研究院 (Research Institute of Atomic Reactors, RIAR)：位于 Dimitrovgrad 的设施也生产 ²⁵²Cf，但产量低于 ORNL。

￮中国原子能科学研究院也建立了²⁵²Cf 中子源生产线，但早期依赖进口原料和工艺。中国正在研究通过高通量试验堆辐照镅等方法提升自主生产能力。

•年产量数据：

￮全球年产量约为“几克”量级。

￮关于 ORNL HFIR 的年产量存在一些不一致的数据：

▪部分资料提及平均每年生产约25 毫克。

▪另有资料指出年产量为百毫克量级或约0.25 克 (250 毫克)。

▪考虑到 ORNL 占据 70% 市场份额且 2003 年全球年产约 0.275 克（其中俄罗斯约 0.025 克），ORNL 的产量应在 0.25 克 (250 毫克) 左右，这与“百毫克量级”的说法一致。从 1966 年至 2019 年 5 月的累积产量 10.2 克计算，平均年产量约为 192 毫克。综合这些信息，“百毫克量级” 或约 0.25 克 更能代表 ORNL 的实际年产能力，而 25 毫克可能是指特定批次或产品形态的产量，或为笔误。

￮俄罗斯 RIAR 的年产量相对较少，约 0.025 克 (25 毫克)（2003 年数据）。

￮全球总年产量根据 2003 年数据约为 0.275 克，最新的全球总产量数据可能略有变化，但仍处于极低的克量级。

•历史产量数据：

￮²⁵²Cf 于 1954 年首次生产出可称量级别。

￮从 1966 年到 2019 年 5 月，美国 ORNL 的 HFIR 和 REDC（放射化学工程开发中心）累计生产了 10.2 克 的²⁵²Cf。历史产量经历了从微克级到毫克级的逐步提升。

主要生产单位

年产量（约）

历史累积产量(ORNL 1966-2019.5)

全球总年产量（约）

ORNL (美国)

百毫克量级(~0.25 克)

10.2 克

~几克或 ~0.275 克 (2003)

RIAR (俄罗斯)

几十毫克量级(~0.025 克)

未公布

注：ORNL 年产量数据存在 25 毫克与 ~0.25 克（百毫克量级）的差异，后者更符合累积产量平均值和市场份额数据。

5.影响产额的关键因素

影响²⁵²Cf 生产产额的因素众多，主要包括：

•辐照靶件原料的选择：使用重锔（²⁴⁶Cm - ²⁴⁸Cm）或锫（²⁴⁹Bk）作为靶材可以显著降低裂变损失，提高转化率和最终产量。²⁴⁵Cm 是易裂变核素，其浓度控制对产额至关重要，需要通过靶材成分设计（如要求 ²⁴⁶Cm 含量在 40%~50%）来尽量“跨越”这一核素。

•中子通量密度：大规模生产超钚核素需要极高的中子通量。高通量反应堆（如 HFIR，通量高达 ~2.5×10¹⁵ n·cm⁻²·s⁻¹）是实现高产量的必要条件。中子通量越高，核反应速率越快，在相同时间内获得的产量越高。

•中子能谱：反应堆内的中子能谱对产额有重要影响。研究表明，能谱越软，共振区中子（1×10⁻⁶~1×10⁻³ MeV）占比越高，越有助于提高 ²⁵²Cf 的生产速率和产量，因为 Cm 偶数核在该能区的 (n,γ) 吸收截面峰值较高。能谱过硬不利于生产，可以通过引入慢化剂调整能谱。

•反应堆设计与运行参数：反应堆的设计（如核心功率密度、慢化剂/吸收体配置）、运行参数（如停堆周期、辐照时间、靶件在堆芯的位置）都直接影响中子通量分布和能谱，进而影响靶材的辐照效果和最终产额。

•分离和纯化过程：高效、高回收率的放射化学分离纯化技术对于从辐照后的复杂混合物中提取高纯度²⁵²Cf 至关重要。分离过程的损失会直接降低最终的提取量。

•生产周期和成本：²⁵²Cf 的生产周期长达近两年，且涉及稀有昂贵原料、复杂高风险的核反应堆运行和后处理、严格的安全防护和运输要求。这些因素使得生产成本极高，限制了生产规模。

•原料供应：高富集度的锕系元素（如高丰度 Cm 同位素）的供应是限制生产规模的关键瓶颈之一。

6.结论

锎-252 (²⁵²Cf) 是一种极其稀有且应用重要的强中子源。其生产依赖于在高通量核反应堆中对重锕系元素（尤其是锔和锫）进行长时间中子辐照，并通过多步中子俘获和 β 衰变链实现核素转化。全球仅有美国 ORNL 和俄罗斯 RIAR 等少数机构具备工业规模生产能力。

²⁵²Cf 的年产量极为有限，全球总计约为几克量级，其中 ORNL 的年产量约为百毫克量级（约 0.25 克）。历史累积产量虽然已达数克，但相对于其需求和广泛的应用潜力，仍显不足。

影响²⁵²Cf 产额的关键因素包括靶材选择、中子通量密度、中子能谱、反应堆运行参数、分离纯化效率、漫长的生产周期以及极高的成本和安全要求。这些因素共同导致 ²⁵²Cf 产量稀少且价格昂贵。未来的产量提升有赖于更先进的反应堆技术、靶材制备工艺优化以及分离回收技术的进步。

核技术论坛

阅读 赞 分享 言