Если вспоминать практическую пользу от открытия цепной реакции деления урана, то сразу после оружия и энергетики, пожалуй, окажется методы ядерной медицины. Ядерные явления используются как в диагностике, так и лучевой терапии. Я хотел бы на примере радиоактивного изотопа технеция 99mTc показать, как ядерные реакторы помогают с диагностикой онкологии.
Томографические срезы интенсивности гамма-излучения меченого 99mTc препарата.
Короткоживущий изомер технеция 99mTc – зонд (трассер), перемещение которого по организму и накопление можно контролировать с помощью томографии гамма-квантов, вылетающих при изомерном переходе этого нуклида. Он обладает коротким периодом полураспада (Т = 6,04 часа, распадаясь в основное состояние 99Tc, тоже радиоактивный изотоп, но с периодом полураспада уже 214 тысяч лет), у технеция нет стабильных изотопов, он незнаком наше биохимии, поэтому он не встраивается в метаболические пути в организме и быстро выводится. Еще одним важным полезным свойством является энергия γ-излучения (140 кэВ) — она достаточно велика, чтобы проникать сквозь ткани и достаточно мала, что бы не вызывать их переоблучения.
Схема, иллюстрирующая получение технеция путем промытия колонки с материнским изотопом, находящейся в свинцовой защите специальной средой, вымывающей технеций.
В итоге сегодня в мире 80% диагностических процедур с использованием радиофармпрепаратов приходится на 99mTc — это порядка 30 млн. процедур в год, в деньгах же Технеций — примерно 1/4 всей ядерной медицины. Диагностика трейсером выглядит как исследование динамики перемещения в организме специально подобранных молекул препарата с технецием; википедия знает множество таких веществ для диагностики разнообразных видов рака. При этом обычно маркирующий препарат накапливается (или не накапливается) в больном (здоровом) органе, и это легко увидеть однофотонным сцинциляционным томографом.
Собственно, вот и он — однофотонный (в отличие от ПЭТ томографов, регистрирующих два фотона аннигиляции позитронов бета-плюс распада) сцинциляционный томограф.
Однако, как мне кажется, гораздо более поразительная, чем сама диагностика, вещь — это получение радиофармпрепарата. Задумайтесь: время полураспада технеция 6 часов — за 24 часа распадается 94% этого изотопа, а значит, препарат нельзя купить в аптеке, да его и перевозить-то сложно: даже перемещая его по городу можно потерять половину активности. Давайте раскрутим цепочку диагностической процедуры с конца до начала, а потом посмотрим на мировой рынок этого изотопа.
Как уже можно догадаться, препараты технеция для диагностики получают прямо в больнице с помощью довольно пугающих по своей серьезности радиохимических процедур. 99mTc — единственный дочерний изотоп радиоактивного молибдена 99Mo, период полураспада которого 2.75 дня. Молибден 99 доставляют в больницу в виде генераторов технеция — свинцовых контейнеров, в которых находится колонка с осажденным молибденом.
Генераторы технеция живьем…
И в разрезе.
В 20-килограммовом генераторе содержится обычно от 0,5 до 5 Кюри (Кюри — это такая единица активности, определенное количество распадов в секунду. Еще одна похожая единица — Беккерель (Бк), один Ки равен 3,7*1010 Бк) активно распадающегося молибдена. Для получения радиохимпрепарата сквозь колонку промывается химическое вещество которое элюирует (захватывает) технеций. Обычно для этого на генератор надеваются две ампулы: одна с элюэнтом, а вторая с вакуумом, причем на вакуумную ампулу надевается свинцовый экран.
Наконец, набрав раствора 99mTc на его базе готовят радиофармпрепарат. Не поленитесь посмотреть видео ниже: правила обращения с радиоактивной фармой, наводят на мысль, что не очень-то полезно вводить это внутрь :) Средний диагностический тест требует примерно 250 МБк (0,06 Ки) технеция и приводит к получению дозы в 50 мЗв (5 бэр) — примерно одна предельно допустимая годовая доза для персонала АЭС.
Следующий вопрос: откуда берутся генераторы технеция, наполненные 99Mo? Здесь вступают в игру ядерные реакторы. 99Mo — это один из осколков 235U, в продуктах деления урана его примерно 6,3%. Любой работающий гигаваттник содержит в своем топливе сотни грамм этого изотопа, при том, что потребление для медицинских нужд — всего около 1 грамма в год. Однако только остановка и извлечение ТВС из мощного энергетического реактора занимает столько времени (несколько суток), что от молибдена не остается практически ничего.
Взяв колбочку с настоящим раствором молибдена-99 в руку, можно этой руки лишиться — радиоактивность такой колбы будет порядка 100 рентген в секунду на поверхности.
Поэтому 99Mo получают, облучая на исследовательских реакторах небольшие (десятки грамм) мишени из высокообогащенного 235U (наличие 238 изотопа в мишени дает нежелательные радиотоксичные трансурановые элементы: плутоний, нептуний, америций). После извлечения из реактора мишени выдерживают 1-2 суток для распада еще более активных, чем молибден, осколков, затем растворяют в азотной кислоте или щелочи и химическим способом в горячей камере экстрагируют 99Mo. Наконец, очищенный раствор с радиоактивным молибденом передают на производство генераторов технеция, где он заряжается в сорбционную колонку. Последний процесс также происходит в горячих камерах, но мало того — на GMP производстве (система стандартов фармпроизводства, обеспечивающая стерильность и качество препаратов).
Вообще говоря, КПД процесса извлечения 99Mo из урановой мишени невысок: кроме того что используется мизерная часть дорогого урана 235, так еще и из наработанного молибдена всего несколько процентов попадет в генераторы технеция — остальное уйдет с остальными продуктами деления в радиоактивные отходы или распадется до переработки. Небольшой кпд, работа с оружейным ураном, большое количество радиоактивных отходов определяют дороговизну молибдена — порядка 50 миллионов долларов за грамм в генераторе. Спасает только то, что этот грамм позволяет провести десятки миллионов тестов.
В итоге цепочка производства диагностики с 99mTc выглядит так: производство мишеней из ВОУ -> реактор -> горячие камеры (желательно рядом с реактором) -> GMP горячие камеры для зарядки генераторов технеция -> помещение в больнице для работы с радиоактивными препаратами. Текущий спрос составляет 12000 Кюри в неделю, и в мире есть десяток реакторов, которые занимаются облучением мишеней, но из них подавляющее количество молибдена поставляется канадским реактором NRU (4800 кюри в неделю), расположенным в Чалк Ривер, нидерландским HFR (2500 Ки) из Петтена, бельгийским BR-2 (который должна заменить MYRRHA) и французским OSIRIS; вместе они ответственны за 80% рынка этого нуклида. Рядом расположены также крупнейшие переработчики мишеней Nordion в Kанаде, Mallinckrodt в Голландии, IRU в Бельгии.
Канадский реактор NRU использует мощную перегрузочную машину, которую ожидаешь увидеть скорее на АЭС. Его мощность 135 мегаватт тепловых — один из самых мощных исследовательских реакторов в мире
Однако в эту сложившуюся еще в 80-х компанию в 2010 году ворвался отечественный поставщик 99Mo — известный институт НИИАР, обладающий мощнейшим парком реакторов для облучения. Облучение ведется на известном нам реакторе СМ, переработка — на радиохимической линии РОМОЛ-99, и самый большой в мире (на одной площадке) парк исследовательских реакторов позволяет производить до 25% мировых потребностей, что использовалось в начале 2010-х канадцами Nordion во время закрытия реактора NRU на ремонт и модернизацию. Вообще, старение основных реакторов-производителей медицинских радиоизотопов повышает возможности Росатома и других новых производителей (например, нового исследовательского реактора OPAL в Австралии) по завоеванию рынка.
Неказистая РОМОЛ-99 (вид со стороны операторов) способна обеспечить 25% мировой потребности в молибдене-99
Она же внутри горячей камеры
Есть в России и производство полного цикла. НИФХИ имени Л.Я.Карпова (расположенный в Обнинске) облучает мишени в своем бассейновом реакторе ВВР-ц мощностью 15 мегаватт.
Облучение ведется в 4 каналах реактора, куда загружаются специальные сборки с внешним охлаждением.
Внешний вид ВВР-ц
Мишени облучаются в реакторе в течение приблизительно недели, после чего извлекаются, выдерживаются двое суток для распада самых активных осколков деления и перерабатываются в горячих камерах НИФХИ.
Чертеж одной мишени. Видно, что урана тут совсем немного
Горячяя камера для работы с раствором 99Mo
НИФХИ изготавливает генераторы технеция на своем GMP производстве. Его мощность — порядка 200 генераторов в неделю, с каждого из которых можно получить до 20 порций технеция для диагностики. Зарядка генераторов, как и все остальные этапы, — кропотливая работа в горячей камере.
Зарядка генераторов технеция производится в стерильных и радиационно-защищенных условиях.
Рынок облученных мишеней сегодня — порядка 50 миллионов долларов, раствора молибдена — 80 миллионов, генераторов технеция — 150, а медицинских процедур — 2 миллиарда долларов. Такой рынок уже вполне окупает создание специальных установок для получения 99Mo, причем в основном разработки направлены на создание активационных или осколочных ускорительных машин, т.е. ускорителей с нейтронным источником (как ESS), вызывающих реакцию вынужденного деления U238 или нейтронного захвата в мишени 98Mo. Пока эти разработки дают более дорогой молибден, чем в уже построенных реакторах, но более дешевый, чем если бы реактор пришлось бы построить специально только для наработки медицинских радиоизотопов. Кроме того, подобные ускорительные установки можно ставить прямо в госпиталях (в госпиталях уже стоит довольно много ускорителей для терапии и наработки короткоживущих диагностических изотопов — например, 18F) в отличие от реакторов.
P.S. Изучая эту тему, я обнаружил для себя, что в Таиланде есть исследовательский реактор распространенной серии TRIGA, на котором в том числе получают медицинские радиоизотопы. Еще удивительнее, что он там есть с 1972 года.
Томографические срезы интенсивности гамма-излучения меченого 99mTc препарата.
Короткоживущий изомер технеция 99mTc – зонд (трассер), перемещение которого по организму и накопление можно контролировать с помощью томографии гамма-квантов, вылетающих при изомерном переходе этого нуклида. Он обладает коротким периодом полураспада (Т = 6,04 часа, распадаясь в основное состояние 99Tc, тоже радиоактивный изотоп, но с периодом полураспада уже 214 тысяч лет), у технеция нет стабильных изотопов, он незнаком наше биохимии, поэтому он не встраивается в метаболические пути в организме и быстро выводится. Еще одним важным полезным свойством является энергия γ-излучения (140 кэВ) — она достаточно велика, чтобы проникать сквозь ткани и достаточно мала, что бы не вызывать их переоблучения.
Схема, иллюстрирующая получение технеция путем промытия колонки с материнским изотопом, находящейся в свинцовой защите специальной средой, вымывающей технеций.
В итоге сегодня в мире 80% диагностических процедур с использованием радиофармпрепаратов приходится на 99mTc — это порядка 30 млн. процедур в год, в деньгах же Технеций — примерно 1/4 всей ядерной медицины. Диагностика трейсером выглядит как исследование динамики перемещения в организме специально подобранных молекул препарата с технецием; википедия знает множество таких веществ для диагностики разнообразных видов рака. При этом обычно маркирующий препарат накапливается (или не накапливается) в больном (здоровом) органе, и это легко увидеть однофотонным сцинциляционным томографом.
Собственно, вот и он — однофотонный (в отличие от ПЭТ томографов, регистрирующих два фотона аннигиляции позитронов бета-плюс распада) сцинциляционный томограф.
Однако, как мне кажется, гораздо более поразительная, чем сама диагностика, вещь — это получение радиофармпрепарата. Задумайтесь: время полураспада технеция 6 часов — за 24 часа распадается 94% этого изотопа, а значит, препарат нельзя купить в аптеке, да его и перевозить-то сложно: даже перемещая его по городу можно потерять половину активности. Давайте раскрутим цепочку диагностической процедуры с конца до начала, а потом посмотрим на мировой рынок этого изотопа.
Как уже можно догадаться, препараты технеция для диагностики получают прямо в больнице с помощью довольно пугающих по своей серьезности радиохимических процедур. 99mTc — единственный дочерний изотоп радиоактивного молибдена 99Mo, период полураспада которого 2.75 дня. Молибден 99 доставляют в больницу в виде генераторов технеция — свинцовых контейнеров, в которых находится колонка с осажденным молибденом.
Генераторы технеция живьем…
И в разрезе.
В 20-килограммовом генераторе содержится обычно от 0,5 до 5 Кюри (Кюри — это такая единица активности, определенное количество распадов в секунду. Еще одна похожая единица — Беккерель (Бк), один Ки равен 3,7*1010 Бк) активно распадающегося молибдена. Для получения радиохимпрепарата сквозь колонку промывается химическое вещество которое элюирует (захватывает) технеций. Обычно для этого на генератор надеваются две ампулы: одна с элюэнтом, а вторая с вакуумом, причем на вакуумную ампулу надевается свинцовый экран.
Наконец, набрав раствора 99mTc на его базе готовят радиофармпрепарат. Не поленитесь посмотреть видео ниже: правила обращения с радиоактивной фармой, наводят на мысль, что не очень-то полезно вводить это внутрь :) Средний диагностический тест требует примерно 250 МБк (0,06 Ки) технеция и приводит к получению дозы в 50 мЗв (5 бэр) — примерно одна предельно допустимая годовая доза для персонала АЭС.
Следующий вопрос: откуда берутся генераторы технеция, наполненные 99Mo? Здесь вступают в игру ядерные реакторы. 99Mo — это один из осколков 235U, в продуктах деления урана его примерно 6,3%. Любой работающий гигаваттник содержит в своем топливе сотни грамм этого изотопа, при том, что потребление для медицинских нужд — всего около 1 грамма в год. Однако только остановка и извлечение ТВС из мощного энергетического реактора занимает столько времени (несколько суток), что от молибдена не остается практически ничего.
Взяв колбочку с настоящим раствором молибдена-99 в руку, можно этой руки лишиться — радиоактивность такой колбы будет порядка 100 рентген в секунду на поверхности.
Поэтому 99Mo получают, облучая на исследовательских реакторах небольшие (десятки грамм) мишени из высокообогащенного 235U (наличие 238 изотопа в мишени дает нежелательные радиотоксичные трансурановые элементы: плутоний, нептуний, америций). После извлечения из реактора мишени выдерживают 1-2 суток для распада еще более активных, чем молибден, осколков, затем растворяют в азотной кислоте или щелочи и химическим способом в горячей камере экстрагируют 99Mo. Наконец, очищенный раствор с радиоактивным молибденом передают на производство генераторов технеция, где он заряжается в сорбционную колонку. Последний процесс также происходит в горячих камерах, но мало того — на GMP производстве (система стандартов фармпроизводства, обеспечивающая стерильность и качество препаратов).
Вообще говоря, КПД процесса извлечения 99Mo из урановой мишени невысок: кроме того что используется мизерная часть дорогого урана 235, так еще и из наработанного молибдена всего несколько процентов попадет в генераторы технеция — остальное уйдет с остальными продуктами деления в радиоактивные отходы или распадется до переработки. Небольшой кпд, работа с оружейным ураном, большое количество радиоактивных отходов определяют дороговизну молибдена — порядка 50 миллионов долларов за грамм в генераторе. Спасает только то, что этот грамм позволяет провести десятки миллионов тестов.
В итоге цепочка производства диагностики с 99mTc выглядит так: производство мишеней из ВОУ -> реактор -> горячие камеры (желательно рядом с реактором) -> GMP горячие камеры для зарядки генераторов технеция -> помещение в больнице для работы с радиоактивными препаратами. Текущий спрос составляет 12000 Кюри в неделю, и в мире есть десяток реакторов, которые занимаются облучением мишеней, но из них подавляющее количество молибдена поставляется канадским реактором NRU (4800 кюри в неделю), расположенным в Чалк Ривер, нидерландским HFR (2500 Ки) из Петтена, бельгийским BR-2 (который должна заменить MYRRHA) и французским OSIRIS; вместе они ответственны за 80% рынка этого нуклида. Рядом расположены также крупнейшие переработчики мишеней Nordion в Kанаде, Mallinckrodt в Голландии, IRU в Бельгии.
Канадский реактор NRU использует мощную перегрузочную машину, которую ожидаешь увидеть скорее на АЭС. Его мощность 135 мегаватт тепловых — один из самых мощных исследовательских реакторов в мире
Однако в эту сложившуюся еще в 80-х компанию в 2010 году ворвался отечественный поставщик 99Mo — известный институт НИИАР, обладающий мощнейшим парком реакторов для облучения. Облучение ведется на известном нам реакторе СМ, переработка — на радиохимической линии РОМОЛ-99, и самый большой в мире (на одной площадке) парк исследовательских реакторов позволяет производить до 25% мировых потребностей, что использовалось в начале 2010-х канадцами Nordion во время закрытия реактора NRU на ремонт и модернизацию. Вообще, старение основных реакторов-производителей медицинских радиоизотопов повышает возможности Росатома и других новых производителей (например, нового исследовательского реактора OPAL в Австралии) по завоеванию рынка.
Неказистая РОМОЛ-99 (вид со стороны операторов) способна обеспечить 25% мировой потребности в молибдене-99
Она же внутри горячей камеры
Есть в России и производство полного цикла. НИФХИ имени Л.Я.Карпова (расположенный в Обнинске) облучает мишени в своем бассейновом реакторе ВВР-ц мощностью 15 мегаватт.
Облучение ведется в 4 каналах реактора, куда загружаются специальные сборки с внешним охлаждением.
Внешний вид ВВР-ц
Мишени облучаются в реакторе в течение приблизительно недели, после чего извлекаются, выдерживаются двое суток для распада самых активных осколков деления и перерабатываются в горячих камерах НИФХИ.
Чертеж одной мишени. Видно, что урана тут совсем немного
Горячяя камера для работы с раствором 99Mo
НИФХИ изготавливает генераторы технеция на своем GMP производстве. Его мощность — порядка 200 генераторов в неделю, с каждого из которых можно получить до 20 порций технеция для диагностики. Зарядка генераторов, как и все остальные этапы, — кропотливая работа в горячей камере.
Зарядка генераторов технеция производится в стерильных и радиационно-защищенных условиях.
Рынок облученных мишеней сегодня — порядка 50 миллионов долларов, раствора молибдена — 80 миллионов, генераторов технеция — 150, а медицинских процедур — 2 миллиарда долларов. Такой рынок уже вполне окупает создание специальных установок для получения 99Mo, причем в основном разработки направлены на создание активационных или осколочных ускорительных машин, т.е. ускорителей с нейтронным источником (как ESS), вызывающих реакцию вынужденного деления U238 или нейтронного захвата в мишени 98Mo. Пока эти разработки дают более дорогой молибден, чем в уже построенных реакторах, но более дешевый, чем если бы реактор пришлось бы построить специально только для наработки медицинских радиоизотопов. Кроме того, подобные ускорительные установки можно ставить прямо в госпиталях (в госпиталях уже стоит довольно много ускорителей для терапии и наработки короткоживущих диагностических изотопов — например, 18F) в отличие от реакторов.
P.S. Изучая эту тему, я обнаружил для себя, что в Таиланде есть исследовательский реактор распространенной серии TRIGA, на котором в том числе получают медицинские радиоизотопы. Еще удивительнее, что он там есть с 1972 года.
