医用同位素钼-99制备新技术与市场情况

罗宁　王海军　孙志中　吴建荣　曾俊杰　陈云明　张劲松　宋斌　李波　王磊　贾致军

【摘 要】99Mo是应用最广泛的医用同位素，在放射性诊断中起着重要作用。本文介绍了99Mo制备新技术，包括医用同位素生产堆（MIPR）和加速器的光反应。中国核动力研究设计院（NPIC）在国内长期开展利用MIPR进行99Mo等医用同位素生产的研究，已掌握关键技术，有望实现重要医用同位素的国产化。此外，还介绍了99Mo国内外市场情况。

【关键词】99Mo;医用同位素生产堆;MIPR

中图分类号： TL92文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）27-0006-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.002

【Abstract】99Mo is the most widely used medical isotope and plays an important role in radiological diagnosis. New technique for preparing 99Mo， including Medical isotope production reactor（MIPR） and optical reaction of accelerator， is introduced in this paper. Nuclea Power Institute of China（NPIC） has been developing the research of using MIPR to produce 99Mo and other medical isotopes for a long time in China. NPIC has mastered the key technology and hope to realize the localization of important medical isotopes. In addition， the market situation of 99Mo at home and abroad is also introduced.

【Key words】99Mo; Medical isotope production reactor; MIPR

0 前言

钼-99（99Mo），半衰期为65.9h，通过β衰变得到99mTc，是99Mo-99mTc发生器的主要原料。99mTc的γ射线能量和半衰期都比较适宜（140KeV，T1/26小时），被广泛应用在核医学领域，即单光子发射计算机断层扫描成像（SPECT）;99mTc能与多种配体连接，用于各种脏器（如大脑、心脏、肝脏、甲状腺等）的功能显像，可诊断多种脏器疾病。全球每年99mTc标记药物的核医学诊断超过3000万次。其用量占医学诊断用放射性核素总用量的80%以上，约占临床单光子计算机断层扫描（SPECT-CT）显像药物的3/4，是核医学用量最多的放射性核素[1]，为人类重大疾病的早期诊断与预防做出了重大贡献。

1 钼-99现行生产方法

99Mo现有制备方法包括反应堆辐照制备和加速器制备，其中反应堆辐照生产是目前大规模商业化生产99Mo的方法。此外，利用加速器质子束等轰击靶材（钼靶、铀靶等）也可以制备99Mo。

1.1 裂变法

大规模生产99Mo的反应堆原来均采用高浓铀HEU靶件（235U富集度大于90%），近年来受核不扩散的影响开始逐步转向低浓铀LEU靶件（235U富集度小于20%）。99Mo裂变产额为6%，利用反应堆中子辐照U靶件获得的99Mo属于无载体产品，99Mo比活度可达1万Ci/g，该方法适合大规模生产高比活度99Mo产品。

在国内，中国原子能研究院先后开展利用LEU（低浓铀）U-Al弥散体靶和HEU（高浓铀）靶提取裂变99Mo的工艺研究，建立了单次生产100-200Ci裂变99Mo生产工艺，因种种原因现已停止运行。中国工程物理研究院利用CMRR堆建设裂变99Mo生产线，裂变99Mo设计产能为2000Ci/年，但并未生产。

1.2 中子活化法

利用反应堆辐照钼靶（天然钼、富集钼-98）进行中子活化也可制备钼-99，辐照后的钼靶比较容易溶解，化学分离和纯化过程比较简单。98Mo活化为99Mo的截面仅为0.13b，比235U（n，f）99Mo的反应截面（35b）低得多，因此钼靶活化制备99Mo的产额较低，且与大量未发生核反应的98Mo载体无法分离，所得到的99Mo屬于有载体产品，比活度较低。天然钼靶在中子注量率1E+14n/cm2/s条件下，辐照8天生成的99Mo比活度约1.6 Ci/g，富集钼靶生成的99Mo比活度约6Ci/g。

在国内，中国核动力研究设计院于上世纪90年代在HFETR堆采用三氧化钼做靶件，利用核反应98Mo（n，γ）99Mo得到产品，并实现了凝胶型99Mo-99mTc发生器的规模化生产。所制成的钼锝发生器体积较大，淋洗液有拖尾现象，该方法的优点是对反应堆的中子通量要求较低，但该发生器已停止生产。

2 钼-99制备新技术

除利用反应堆辐照固态铀靶或钼靶生产99Mo以外，还有一种将液体铀燃料同时作为靶件生产99Mo的新方法，即均匀性水溶液反应堆。此外，近年来出现了一种加速器制备99Mo的新的方法，即利用能量高的电子轰击原子序数高的核素所产生的韧致辐射γ射线轰击靶材来制备99Mo。

2.1 溶液堆

2.1.1 溶液堆简介

1944年，Richard Feynman首次提出了一个新的核反应堆，该反应堆中所用的核材料不是通常使用的固体燃料，而是溶解在普通轻水中的高丰度铀盐的溶液（硝酸铀酰或硫酸铀酰）[2]。同年，美国洛斯—阿拉莫斯实验室（Los Alamos）建成世界上第一座功率为0.01 kW的均匀性溶液堆（LOPO），此后，研究人员对溶液堆进行了大量的研究和开发，建成了70多个研究型水溶液反应器;并曾建造约40座溶液堆（不包括前苏联）。但这些堆都用于试验研究（中子活化分析、中子照像、人员培训等）而非生产目的，并且大多数已停止使用。1993年Chopelas A P和Ball R M提出用于专门生产99Mo等医用放射性核素的200kW医用同位素生产堆（Medical Isotope Production Reactor，MIPR）概念[3]，结构设计如图1所示。

2.1.2 溶液堆的特点

溶液堆用于99Mo等医用同位素生产与传统固体靶件法相比，具有以下特点：

1）堆芯设计弹性大。（1）溶液成分可以选择，如燃料可以以UO2SO4或UO2（NO3）2等形式存在。（2）低压强、低温度运行的热力学状态，使得MIPR堆芯几何可以根据安全性能的需求来选择。

2）堆芯固有安全性高。MIPR运行时，堆内产生的裂变能量释放于溶液中，转化为热能使溶液温度升高。在典型的瞬态过程中，由于燃料温度升高和氣泡形成所产生的负反应系数，可以有效抑制反应性单向变化，使得堆芯维持其固有安全性。

3）中子利用率高。MIPR中核燃料和“靶件”是一体，与传统生产方法产生99Mo等医用放射性核素相比，MIPR生产效率高几十倍。

4）操作简单，放射性废物很少。MIPR省去了靶件制作和固体靶件溶解相关的过程，其放射性废物只有固体靶件法的1/100;MIPR中的铀燃料可以回收利用。

5）反应堆建设和运行成本低。MIPR运行功率低，尺寸小，相应的系统及其他辅助设备简单;建造更小、更简单的MIPR比高功率的传统非均匀堆成本低得多。固有安全性使得控制系统更加简单，无需靶件制造和运输，避免了更多的燃料消耗以及废物产生，都将使MIPR的运行成本更低。

2.1.3 核动力院溶液堆研究进展

虽然溶液堆建设较早，但利用MIPR进行99Mo等同位素制备的研究则很少，极少报道。俄罗斯Kurchatov Institute的均匀水溶液堆ARGUS额定功率20kW，以硫酸铀酰溶液作为燃料，对99Mo制备进行了一定研究[4]，但其后续同位素生产情况尚不明朗。

核动力院于1994年开展MIPR生产99Mo的提取与纯化工艺可行性研究，2000年开始反应堆初步设计和1：1燃料输送与放射性核素提取回路台架设计。2003年经1：1台架试验验证工艺可行，2005年完成1：1热工台架验证试验。此后仍在不断完善反应堆设计及99Mo等医用同位素提取工艺，包括基于低浓铀（LEU）条件下的设计及核素提取技术研究并取得了重要进展，为溶液堆项目工程化奠定了技术基础。

2.2 加速器

2.2.1 光裂变

能量高的电子轰击原子序数高的核素所产生的韧致辐射可诱发铀-238裂变生成99Mo[5-6]，核反应为238U（γ， f） 99Mo。Naik等实验表明，10MeV的韧致辐射γ射线引发的铀-238裂变时，99Mo产额约为4.8%。10MeV的韧致辐射束流功率为4kW，频率为10Hz时，辐照1g天然U靶件24h，可产生99Mo约0.3μCi，有发展潜力[7]。

2.2.2 （γ，n）反应

Naik等研究了100Mo（γ，n）99Mo核反应，当14MeV韧致辐射能量时，上述核反应截面超过160mb[7]。当电子束能量为10MeV，功率4kW，频率为10Hz时，照射钽靶产生的韧致辐射对1g天然钼靶照射1天，可产生约311nCi的99Mo。加拿大开展了基于加速器的MIP项目，即利用同步加速器高能电子产生的γ射线进行核反应100Mo（γ，n）99Mo，有发展潜力。

利用加速器制备99Mo虽然硬件设施建造成本低、放射性废物少，更易于辐射防护等优点，但缺点是束流直径太小，生产效率低，不适合大规模生产，因此从经济角度看前景不乐观。

3 钼-99市场情况

目前，全球99Mo年用量约47万Ci，其中美国占50%，欧洲和日本分别占22%和12%。联合国经济合作与发展组织（OECD）核能机构（NEA）在报告“Medical Isotope Supply Review：99Mo/99mTc Market Demand & Production Capacity Projection（2017-2022）”中预测，2020年全球99M需求量将增长为55万Ci，到2030年，将增长为88万Ci，增长态势迅猛。国际上99Mo主要由四个供应商提供：南非NTP（Nuclear Technology Products）公司、澳大利亚ANSTO（Australian Nuclear Science and Technology Organisation）公司、荷兰Mallinckrodt-Covidien公司和比利时IRE（Institut National des Raioéléments）公司，2018年99Mo市场占比分别为21%、21%、37%、21%;主要涉及6个反应堆：澳大利亚OPAL、南非Safari-1、荷兰HFR、比利时BR-2、捷克LVR-15和波兰Maria，其现有供应能力将至少维持到2023年。在此之后，荷兰、南非（下转第16页）（上接第7页）及比利时等国生产同位素的主要反应堆HFR（1957-）、Safari-1（1961-）、BR-2（1958-）也将陆续退役，其原有同位素产能将消失，全球99Mo可能将面临重大短缺。国内99Mo年用量约1.5万Ci，市场增长很快，发展潜力巨大，目前完全依赖进口，其售价不断攀升，且经常不能按时供货，严重受制于人。

4 小结

综上所述，99Mo这种最重要的医用同位素在全球范围内用量巨大，是典型的短周期消耗品，虽然利用反应堆辐照固体铀靶件获得裂变99Mo是目前商业主流方法，但面临传统反应堆寿期陆续到期，产能中断的问题。加速器新制备技术虽有技术创新，但距离批量生产仍有很长的路要走。MIPR相对传统反应堆有诸多优点，如能顺利应用到99Mo批量生产，则可以解决核医学领域目前“缺锝”的问题，同时消除我国进口制约，并创造巨大的社会和经济价值。

【参考文献】

[1]Betenekov N D，Denisov E I，Nedobukh T A，et al. Inorganic sorbent for molybdenum-99 extraction from irradiated uranium solutions and its method of use[P].US 6337055，， 2002-01-08.

[2]Lyra M， Charalambatou P，Roussou E， et al.Alternative production methods to face global molybdenum-99 supply shortage[J]. Hellenic Journal of Nuclear Medicine， 2011，14（1）：49-55.

[3]Ball R M.Medical isotope production reactor[P]：U.S.Patent 5，596，611.1997-1-21.

[4]Boldyrev P P，Golubev V S，Myasnikov S V，et al.35th international meeting on RERTR.The Russian ARGUS Solution Reactor HEU-LEU Conversion：LEU Fuel Preparation，Loading and First Criticality[C].Vienna，2014.

[5]Ruth T.Accelerationg production of medical isotopes[J]. Nature.2009，457：29.

[6]Naik H. Nimje V T. Raj D. et al. Mass distribution in the bremsstrahlung-induced fission of 232Th， 238U and 240Pu[J]. Nuclear Physics A. 2011， 853：1-25.

[7]Naik H.Suryanarayana S V，Jagadeesan K C，et al.An alternative route for the preparation of the medical isotope 99Mo frome the 238U（γ，f） and 100Mo（γ，n） reactions[J].Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry.2013，295（1）：807-816.