La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif pour la production de radio-isotopes à partir d'une cible essentiellement constituée d'un précurseur d'isotope que l'on irradie par un faisceau de particules accélérées, le radio-isotope une fois produit étant séparé de son précurseur.

Une application particulière de la présente invention concerne la production de palladium 103 à partir de rhodium 103.

La production habituelle de radio-isotopes s'effectue par bombardement ou irradiation d'une cible essentiellement constituée d'un précurseur d'isotope à l'aide d'un faisceau de particules accélérées.

Il s'y produit une réaction nucléaire qui fait qu'une fraction du précurseur d'isotope présent est transformée en un radio-isotope. Il convient de noter que dans la plupart des cas, le radio-isotope créé est intimement mêlé au matériau précurseur d'isotope constituant la cible et reste de ce fait dans ladite cible.

Il convient également de noter qu'habituellement seuls quelques pour cents du précurseur sont transformés en radio-isotopes exploitables.

Plusieurs types de procédés ont été proposés pour séparer le radio-isotope de son précurseur. L'un d'entre eux consiste essentiellement en une séparation chimique selon laquelle on dissout totalement la cible par exemple dans un acide fort. On effectue ensuite une filtration et éventuellement une électro-dissolution du radio-isotope et enfin une précipitation de ce dernier.

On peut citer à titre d'exemple de cette méthode de séparation chimique, le couple rhodium-palladium 103. La cible est constituée par le rhodium, en tant que précurseur d'isotope, déposé sur un support de cuivre. Cette cible est soumise à une irradiation par un faisceau de protons de 14 MeV pendant 6 jours, ce qui induit une réaction 103 Rh → ¹⁰³ Pd et permet d'obtenir qu'environ 1% du rhodium 103 soit transformé en palladium 103. Une fois l'irradiation terminée, la cible est déchargée et amenée vers une enceinte blindée appelée "hot cell" qui est destinée à permettre la réalisation de la séparation de l'isotope de son précurseur.

Afin de séparer le rhodium du palladium, on utilise la procédure de séparation décrite ci-dessus. En particulier, on dissout la cible constituée du support cuivre et de mélange rhodium - palladium sous forme solide avec une solution d'acide fort tel qu'un mélange NH₃ + H₂SO₄. Ceci permet de dissoudre le cuivre et de maintenir le rhodium et le palladium sous forme de précipités. Il suffit alors d'effectuer à ce moment une filtration. La séparation du palladium du mélange palladium - rhodium sera obtenue par électro-dissolution du mélange dans une solution d'acide chlorhydrique avec flux de chlore pour améliorer le rendement (Applied Radiat. Isot. 38(2), pp.151-157 (1987)), suivie par une étape de séparation effectuée par exemple par complexation du palladium à l'aide d'alpha-furil dioxine (AFD) afin d'extraire sélectivement le palladium par la méthode d'extraction liquide-liquide (Radiochim. Radioanal. Lett. 48(1), pp.15-19 (1981)). Une dernière précipitation termine le processus pour isoler le palladium 103 du rhodium 103 et le conditionner sous la forme désirée.

Il est également possible de provoquer une dissolution chimique du rhodium 103 en vue de récupérer seulement le palladium 103 au moyen d'une solution de NaAuCl4 (Appl. Radiat. Isot. 48(3), pp.327-331 (1997)) et de séparer le rhodium du palladium en utilisant une solution d'α-benzoinoxime (ABO).

Cependant, on observe tout d'abord, que quelles que soient les méthodes de séparation utilisées, le rendement maximum jamais atteint décrit dans la littérature se situe aux alentours des 90%.

En outre, la mise en oeuvre de telles techniques est complexe et il y a génération d'effluents qui peuvent se révéler dangereux et polluants.

Il convient également de noter que malheureusement, ce procédé de séparation détruit totalement la cible, et de ce fait le rhodium, qui est un matériau particulièrement onéreux. Par conséquent, la cible ne pourra être réutilisée pour une prochaine irradiation.

En outre, les solutions acides utilisées pour la séparation seront polluées par des déchets radioactifs et nécessiteront une décontamination, ce qui augmente de manière importante le coût du procédé.

Enfin, pour effectuer la dernière précipitation, un entraîneur est nécessaire, par exemple le palladium 102, dont l'utilisation réduit l'activité spécifique du palladium 103.

La présente invention vise à fournir un procédé et un dispositif de production de radio-isotopes qui ne présente pas les inconvénients de l'état de la technique.

La présente invention vise à fournir une solution qui permet de réduire la production de déchets radioactifs.

La présente invention vise en outre à fournir un procédé dans lequel la cible n'est pas détruite, et peut donc être réutilisée pour une nouvelle production de radio-isotope.

La présente invention vise en outre à permettre d'obtenir un radio-isotope avec une activité spécifique élevée.

La présente invention se rapporte à un procédé de production d'un radio-isotope d'intérêt à partir d'une cible comportant un précurseur dudit radio-isotope, à l'aide d'un faisceau de particules accélérées, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :

• préparation d'une cible comportant le précurseur du radio-isotope, éventuellement lié à un support métallique,
• irradiation, au sein d'une chambre d'irradiation, de ladite cible par un faisceau de particules accélérées, en vue d'induire la transmutation du précurseur en le radio-isotope,
• chauffage de ladite cible en vue de provoquer l'effusion du radio-isotope hors de la cible,
• collecte dudit radio-isotope extrait sous forme gazeuse et condensation dudit radio-isotope sous forme solide ou liquide.

On notera que dans la description qui suit, les expressions « radio-isotope » et « radio-isotope d'intérêt » seront indifféremment utilisées pour désigner le radio-isotope que l'on cherche à produire, tandis que le terme « précurseur » désignera, comme son nom l'indique, l'élément à partir duquel on cherche à obtenir ledit radio-isotope d'intérêt.

Dans le procédé selon l'invention, le radio-isotope d'intérêt est généralement obtenu par irradiation à l'aide d'un faisceau de protons d'une cible solide contenant le précurseur, le radio-isotope d'intérêt étant produit au sein de ladite cible, également de préférence sous forme solide.

La séparation du radio-isotope d'intérêt et du précurseur consistera donc à soumettre la cible solide à un traitement thermique pour obtenir une réaction d'effusion, c'est-à-dire de séparation thermique du radio-isotope d'intérêt.

Dans ce but, il doit s'agir de couples précurseur/radio-isotope d'intérêt qui présentent des températures de fusion et d'ébullition relativement différentes l'une de l'autre, de telle sorte que le traitement d'effusion permette d'obtenir une diffusion du radio-isotope au sein même de la cible, son extraction ou échappement par évaporation et sublimation, tandis que le précurseur de la cible reste présent au sein de ladite cible de préférence sous forme solide.

Le traitement thermique mis en oeuvre pour obtenir cette effusion peut être tout traitement fonctionnant par effet Joule.

A titre d'exemple, l'énergie destinée au traitement thermique peut provenir de l'irradiation par un faisceau de particules chargées telles des électrons , par le faisceau utilisé pour la réaction nucléaire, par rayonnement infrarouge, par un traitement au laser, par traitement plasma ou tout autre traitement thermique adéquat.

A titre d'exemple, un chauffage sous vide ou sous atmosphère inerte contrôlée permettra d'obtenir rapidement l'effet d'effusion désiré.

Selon une première forme d'exécution de la présente invention, le traitement thermique se produira au sein d'une enceinte d'effusion distincte de la chambre d'irradiation en vue d'obtenir ladite effusion.

Selon une forme d'exécution encore préférée, l'étape de collecte et de condensation pourra s'effectuer également au sein de ladite enceinte d'effusion.

Dans ce but, et de manière particulièrement avantageuse, cette enceinte d'effusion sera pourvue de moyens de collecte et de condensation dudit radio-isotope extrait.

Les moyens de collecte et de condensation peuvent être constitués par un substrat de collection tel un support céramique, métallique ou polymérique, froid ou refroidi. De préférence, ce substrat présentera de faibles caractéristiques d'adhérence.

Selon cette forme d'exécution, une étape supplémentaire de séparation du radio-isotope extrait, collecté et condensé sur le substrat de collection devra se produire. Éventuellement, cette étape de séparation pourra être effectuée au sein d'une enceinte de séparation distincte de l'enceinte d'effusion. Avantageusement, cette enceinte de séparation comprend un bain de solution acide dans laquelle on peut tremper le substrat de collection en vue d'obtenir une désolidarisation du radio-isotope dudit substrat de collection. Ensuite, il sera nécessaire de filtrer et séparer ledit radio-isotope en vue de le conditionner sous la forme désirée.

Selon une autre forme d'exécution, le traitement thermique peut s'effectuer directement au sein de la chambre d'irradiation, par exemple directement par irradiation par le faisceau de particules chargées qui a permis de réaliser la transmutation du radio-isotope.

Un autre objet de l'invention concerne un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de production d'un radio-isotope, ledit dispositif comprenant les moyens suivants :

• des moyens d'irradiation d'une cible comportant un précurseur d'isotope en vue d'induire une transmutation du précurseur en le radio-isotope,
• des moyens de chauffage en vue de provoquer l'effusion du radio-isotope au sein de ladite cible,
• des moyens de collecte et de condensation du radio-isotope extrait.

De préférence, les moyens de collecte et de condensation du radio-isotope extrait sont constitués par un substrat de collection froid.

De préférence, le substrat de collection présente une inter-couche présentant de faibles caractéristiques d'adhérence avec le radio-isotope.

De préférence, le dispositif selon l'invention comprend en outre des moyens de désolidarisation du radio-isotope dudit substrat de collection.

De manière avantageuse, les moyens de désolidarisation sont constitués par une enceinte de séparation comprenant un bain de solution acide dans laquelle est disposé le substrat de collection avec le radio-isotope.

La présente invention se rapporte également en particulier à l'utilisation dudit procédé et dudit dispositif pour la production de palladium 103 à partir de rhodium 103. En d'autres termes, elle concerne la réaction ¹⁰³Rh (p,n) ¹⁰³Pd par irradiation d'un faisceau de protons.

D'autres exemples de couples de métaux peuvent être bien entendu envisagés pour la mise en oeuvre du procédé (les couples ¹¹¹In/¹¹¹Cd, ¹⁹⁷Hg/¹⁹⁷Au, ⁹⁵Tc/⁹⁵Mo,...).

Les figure 1a et 1b décrivent de manière schématique les diverses étapes du procédé de préparation du radio-isotope selon une première et une seconde forme d'exécution de la présente invention, respectivement.

Les figures 2a et 2b décrivent respectivement les enceintes d'effusion et de séparation utilisées pour la mise en oeuvre des procédés selon la présente invention.

La figure 3 décrit une seconde forme d'exécution dans laquelle les étapes d'irradiation et d'effusion peuvent être effectuées directement on-line au sein de la chambre d'irradiation.

Les figures 4a et 4b décrivent de manière schématique un accélérateur de particules qui peut être utilisé pour la mise en oeuvre du procédé. La figure 4a correspond à une vue en perspective de ce dispositif, tandis que la figure 4b correspond à une vue de dessus.

La figure 1a décrit de manière schématique les diverses étapes d'une première forme d'exécution du procédé de production d'un radio-isotope selon la présente invention. On se réfère à la préparation du radio-isotope ¹⁰³Pd, référencé 4, à partir d'une cible 3 comportant du rhodium ¹⁰³Rh, précurseur d'isotope, référencé 1, par irradiation par un faisceau de protons.

Au départ, il s'agit tout d'abord de préparer la cible 3 comportant le précurseur 1 du radio-isotope 4 (étape A-préparation de la cible). Pour ce faire, on effectue un dépôt de Rh sur une plaque métallique 2 qui est dans le présent cas une plaque en cuivre. Ceci se fait habituellement par électrolyse, de manière à obtenir un dépôt d'une épaisseur telle que le faisceau de protons utilisé pendant l'irradiation (par exemple un faisceau de protons de 14 MeV) perde au moins les trois quarts de son énergie au sein de la cible. Cependant, d'autres techniques de dépôts comme l'évaporation, les techniques de dépôts par plasma (courant continu (DC), radiofréquence ou micro-ondes) sous vide ou plasma atmosphérique (plasma spraying) peuvent être utilisées.

Dans le cas d'une cible 3 inclinée à 10° par rapport à la direction du faisceau, une épaisseur de 50 µm suffit pour des protons de 14 MeV.

Une fois la cible 3 réalisée, celle-ci est chargée dans un cyclotron et soumise à un faisceau de protons d'une énergie de 14 MeV pendant 6 jours (étape B-irradiation). La transmutation du ¹⁰³Rh en ¹⁰³Pd s'effectue au taux de 0,225 mCi/mAH. Au terme de 144 heures, on obtiendra, pour un courant de 1 mA continu, et en tenant compte de la décroissance, une production de 28,8 Ci.

Il convient de noter que la quantité de ¹⁰³Pd (radio-isotope 4) récoltée correspond à moins de 1 % de la quantité initiale de ¹⁰³Rh (précurseur 1) présente sur la cible 3.

Dans cette première forme d'exécution de l'invention, il convient de maintenir la température de la cible 3 à tout moment inférieure à la température d'effusion du palladium au sein du rhodium. S'il n'en était pas ainsi, le palladium sortirait de la cible, et se condenserait sur les parois environnantes.

La cible 3 irradiée est alors déchargée et transférée (étape C-extraction et transfert) vers une enceinte d'effusion 17 telle que représentée à la fig. 2a. Cette enceinte d'effusion est une enceinte blindée dans laquelle est effectuée l'effusion (étape D).

L'effusion d'un constituant hors d'un alliage (en dehors de cet alliage) est basée sur les phénomènes physiques suivants. Le constituant le plus volatil (ici le palladium) passe en phase gazeuse, à partir de la surface, ce qui entraîne une différence de concentration en constituant volatil entre la surface et l'intérieur de la cible. Un flux de constituant volatil, de l'intérieur de la cible, vers la surface, prend alors naissance. L'évaporation du constituant volatil se poursuit, et réduit la concentration en constituant volatil au sein de la cible. Finalement, la vapeur du constituant volatil est condensée et recueillie sur une surface froide.

On notera qu'il est nécessaire que le constituant volatil ait une température de fusion inférieure à celle des autres constituants de l'alliage, ou une pression partielle de vaporisation supérieure pour une température donnée. Le palladium et le rhodium ont respectivement des températures de fusion de 1554.9°C et 1964°C.

Au sein de l'enceinte d'effusion 17, on chauffe la cible 3 par exemple au moyen d'un chauffage électrique, par effet Joule ou par induction, d'un faisceau d'électrons, d'infrarouges, d'un laser, ou d'un plasma DC ou radio-fréquence ou micro-onde.

L'étape suivante consiste ensuite à collecter et condenser le palladium 4 extrait de la cible 3 sur un support de collection 5 (étape E) pour ensuite le séparer et le recueillir (étape F), par exemple sous forme de PdCl₂.

La figure 2a décrit une enceinte d'effusion 17 utilisée selon la première forme d'exécution du procédé de l'invention. Il s'agit bien sûr d'une enceinte blindée dans laquelle la cible 3 irradiée est transférée (étape C de la figure 1a) et qui permet de réaliser les étapes d'effusion (étape D) du radio-isotope 4 hors de la cible 3 mais également de captation et condensation (étape E) dudit radio-isotope 4 extrait.

Cette cible 3 est chauffée de préférence sous vide ou sous atmosphère contrôlée à l'aide de moyens de traitement thermique 18 en vue de provoquer la diffusion du palladium 4 au sein de la cible 3 jusqu'à sa surface et son évaporation / sublimation hors de celle-ci. Une température comprise entre 800°C et 1750°C convient pour provoquer l'effusion du palladium 4 hors de la matrice de rhodium (cible 3).

Avantageusement, les moyens de traitement thermique 18 se présentent sous la forme d'une simple résistance électrique. Ils doivent agir en un minimum de temps et doivent être très simples à réguler. En outre, ils doivent permettre de préserver la cible 3 et d'en sauver l'intégrité afin de permettre son utilisation ultérieure pour de prochaines irradiations.

La mise sous vide et le maintien sous vide de l'enceinte d'effusion 17 sont assurés par une pompe à vide 19.

Le palladium 4 présent au sein de la l'enceinte d'effusion 17 sous forme gazeuse est capté et condensé (étape E de la figure 1a) sur un support 5 de collection. Le support de collection 5 est froid ou refroidi, à une température inférieure à la température de condensation du palladium 4. Le palladium 4 est recueilli sous forme solide ou liquide.

Ledit substrat 5 est disposé à proximité de la cible sous une cloche de protection 20.

De manière particulièrement avantageuse, le substrat de collection 5 est un support froid en céramique ou en métal et il présente une mauvaise adhérence. Il peut par exemple présenter une intercouche non adhérente (non représentée). A titre d'exemple, des polymères solubles ou des graisses peuvent être utilisés pour réaliser cette intercouche.

A l'issue de l'opération d'effusion et de collecte (étapes D et E), la cible 3 contient encore pratiquement la quantité initiale de rhodium, et elle n'a pas été affectée mécaniquement ou chimiquement. Elle peut donc avantageusement être réinstallée dans la chambre d'irradiation, pour une nouvelle campagne de production de palladium (étape G).

Ensuite, le substrat 5 de collection est transféré à l'aide d'un système de transfert vers une autre enceinte appelée enceinte de séparation 21 dans laquelle l'étape de séparation (étape F de la figure 1a) du radio-isotope 4 et du substrat de collection 5 est effectuée. La figure 2b décrit une telle enceinte de séparation 21 vers laquelle le substrat de collection est amené.

De manière avantageuse, cette enceinte de séparation 21 comprend un bain 22 d'une solution de manière à libérer le ¹⁰³Pd (radio-isotope 4) dans ladite solution. Cette séparation peut être obtenue par des moyens chimiques, tels qu'une dissolution de l'intercouche et/ou du palladium, et/ou des moyens mécaniques tels qu'une agitation.

Ensuite, cette solution est traitée de manière à isoler le ¹⁰³Pd (radio-isotope 4) (étape F de la figure 1a) qui est conditionné dans de petites fioles à l'aide de distributeurs de doses (« doses dispenser »). L'activité de chaque fiole est mesurée pour contrôle, et le produit peut ensuite être utilisé en tant que produit radio-chimique.

Il convient de noter que les différents éléments des enceintes d'effusion 17 et de séparation 21 doivent être tels qu'ils soient facilement décontaminables, intégrables au sein d'une enceinte blindée "hot-cell", équipés d'un système de transfert adéquat de la cible 3, de la chambre d'irradiation 10 vers l'enceinte d'effusion 17, et du substrat de collection 5 de l'enceinte d'effusion 17 vers l'enceinte de séparation 21 et soient faciles d'entretien.

Le système de transfert de la cible 3 et du substrat de collection 5 doit être lui-même facilement démontable, par exemple en vue d'une vérification, et facilement décontaminable. Il doit en outre être sécurisé.

L'enceinte d'effusion 17 et de séparation 21 peuvent être combinées en une seule et unique enceinte.

La figure 1b décrit de manière schématique les diverses étapes d'une seconde forme d'exécution du procédé de production d'un radio-isotope selon la présente invention, dans laquelle l'étape d'effusion est réalisée on-line, c'est-à-dire directement au sein de la chambre d'irradiation.

La constitution de la cible (étape A) se fait de la même manière que dans la première forme de réalisation. Comme montré à la figure 3, un substrat de collection 5 est installé dans la chambre d'irradiation. Il n'est donc pas nécessaire d'extraire la cible 3 pour procéder à l'effusion-collecte. Ce dispositif permet de réaliser simultanément l'irradiation et l'effusion-collecte (étapes B, D et E simultanées). L'énergie nécessaire pour chauffer la cible est apportée en tout ou en partie par le faisceau de particules accélérées. A l'issue de l'irradiation, le substrat de collection 5 est extrait de la chambre d'irradiation 10. La séparation du palladium déposé (étape F) est ensuite réalisée de la même manière que dans la première forme de réalisation. La cible 3 peut rester au sein de la chambre d'irradiation 10.

La figure 3 décrit donc un dispositif approprié à la mise en oeuvre de la seconde forme d'exécution du procédé de l'invention. Dans la chambre d'irradiation 10 sont installés la cible 3 ainsi que le substrat de collection 5. Un ensemble de pompes à vides permet d'atteindre de proche en proche le niveau de vide important requis au sein de l'accélérateur.

Les figures 4a et 4b décrivent de manière schématique un accélérateur de particules qui peut être utilisé pour la mise en oeuvre du procédé. Plus précisément, la figure 24a est une vue en perspective de cet accélérateur, tandis que la figure 4b est une vue de dessus de ce même dispositif.

Comme illustré sur ces figures, l'accélérateur de particules 7 comprend :

• une source capable de générer un faisceau de particules,
• l'accélérateur 6 lui-même,
• un circuit 9 d'acheminement du faisceau,
• un aimant de déviation 11 qui permet de diriger le faisceau de particules soit vers un système de pompage 12 destiné à contrôler la qualité des paramètres du faisceau, soit vers une enceinte blindée 10 constituant la chambre d'irradiation placée en bout de ligne.

Entre l'accélérateur 6 et l'aimant de déviation 11, le dispositif 7 comprend en outre une série d'aimants auxiliaires qui correspondent à des quadrupôles 13 et à des sextupôles 14 et qui ont pour fonction d'assurer une focalisation du faisceau.

On notera également que juste à la sortie de l'accélérateur 6 se trouvent des collimateurs 15.

Par ailleurs un aimant de balayage 16 permet, comme son nom l'indique, de balayer la cible 3 à l'aide du faisceau d'irradiation.

De manière classique, on dispose la cible 3 obtenue dans la chambre 10 en bout de ligne de faisceau de l'accélérateur 6 de particules chargées. De manière avantageuse, l'accélérateur 6 peut être constitué par un cyclotron qui permet de générer un faisceau de protons présentant une certaine divergence et qui est corrigé par la présence des collimateurs 15.

Ces collimateurs 15 ont essentiellement pour but d'empêcher qu'une partie du faisceau (20%) ne frappe des éléments de la ligne du faisceau et ne les endommage. Avantageusement, ces collimateurs 15 peuvent être amovibles et eux-mêmes revêtus d'une couche de rhodium, de manière à profiter de la perte de faisceau pour produire directement du ¹⁰³Pd (radio-isotope 4).

Dans ce but, les collimateurs 15 doivent pouvoir répondre aux exigences suivantes: facilité de montage / démontage et placement dans la ligne, très bon refroidissement de la surface irradiée, facilité de transfert vers un container en plomb, facilité de démontage dans une « hot cell », masse de substrat en cuivre minimale, surface à recouvrir en rhodium minimale, réutilisation pour chaque irradiation d'un maximum de composants.

La cible 3 peut également être installée directement à l'intérieur de l'accélérateur de particules 6.

Tant dans la première que dans la seconde forme de réalisation de l'invention, la cible 3 et le substrat de collection 5 peuvent être utilisés plusieurs fois successivement. On dispose ainsi d'un procédé économique en rhodium, et produisant peu de déchets.

L'invention ne doit pas être considérée comme limitée aux exemples de réalisation préférés décrits ci-dessus. En particulier, la cible peut être constituée entièrement en le précurseur d'isotope, ou en un alliage comprenant ce précurseur d'isotope.