Розглянуто принципові можливості використання в медичній практиці ядерного реактора, як спеціалізованого інструменту для проведення променевої терапії. Наводяться фізичні характеристики одного з перспективних видів променевої терапії нейтронно-загарбної. Представлений огляд зарубіжних і вітчизняних ядерних установок і проектів, призначених для цієї мети. Сформульовано базові вимоги до ядерної установки як спеціалізованому медичному інструменту.

Анотація наукової статті з біотехнологій в медицині, автор наукової роботи - Новожилова Ольга Олегівна, Мелузов Олександр Георгійович, Іванова Ніна Леонідівна


Область наук:

  • Біотехнології в медицині

  • Рік видавництва: 2017


    Журнал

    Праці НГТУ ім. Р.Є. Алексєєва


    Наукова стаття на тему 'Аналіз застосування ядерних реакторів в медичній практиці'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз застосування ядерних реакторів в медичній практиці»

    ?УДК 615.47

    О.О. Новожилова, А.Г. Мелузов, Н.Л. Іванова

    АНАЛІЗ ЗАСТОСУВАННЯ ЯДЕРНИХ РЕАКТОРІВ У МЕДИЧНІЙ ПРАКТИЦІ

    Нижегородський державний технічний університет ім. Р.Є. Алексєєва

    Розглянуто принципові можливості використання в медичній практиці ядерного реактора, як спеціалізованого інструменту для проведення променевої терапії. Наводяться фізичні характеристики одного з перспективних видів променевої терапії - нейтронно-загарбної. Представлений огляд зарубіжних і вітчизняних ядерних установок і проектів, призначених для цієї мети. Сформульовано базові вимоги до ядерної установки як спеціалізованому медичному інструменту.

    Ключові слова: ядерний реактор, променева терапія, нейтронно-захватна терапія.

    Однією з проблем сучасної клінічної медицини є боротьба з онкологічними захворюваннями. Поряд з традиційними способами лікування в даний час перспективним напрямком представляється нейтронна терапія, що володіє високою ефективністю за рахунок більш вираженого шкідливої ​​дії ракових клітин в порівнянні з електронами, рентгенівським і у-випромінюванням.

    Нейтронна терапія поділяється на два види: нейтронно-захватна (НЗТ) і терапія швидкими нейтронами або нейтронно-соударная (НСТ).

    Ідея НЗТ була сформульована в 1936 році після відкриття нейтрона. Її фізичні основи прості і елегантні. Це бінарна система, яка використовує два окремих компонента для створення терапевтичного ефекту. Кожен компонент окремо не володіє протипухлинними властивостями, але їх комбінація виробляє високий летальний ефект. Перший компонент - нетоксичний, нерадіоактивні ізотоп, що володіє великим перетином поглинання нейтронів (сотні тисячі барн), який селективно накопичується або вводиться в пухлинні тканини, наприклад, ізотопи бор-10, гадоліній-64 і кадмій-113 (в експерименті). Другий - пучок плотноіонізірующего випромінювання необхідної геометричної форми і спектрального складу (повільні нейтрони). Таким чином, досягається прицільне (таргетних) знищення пухлинних і збереження здорових клітин.

    В результаті поглинання нейтрона ізотопом бору-10 утворюється порушену ядро ​​бору-11, яке за 10 12 секунд розпадається на ядро ​​літію-7 і альфа-частинку, що розлітаються з великою енергією. У 6% випадків їх сумарна енергія 2,8 МеВ, а в 94% -2,3 МеВ, оскільки 0,48 МеВ виноситься гамма-квантом. Ці заряджені частинки швидко гальмуються: ядро ​​літію на довжині 5 мкм, альфа частка на 7 мкм. Оскільки розмір клітини порядку 10-12 мкм, то 80% енергії ядерної реакції виділяється саме в тій клітці, яка містила ядро ​​бору, яке поглинуло нейтрон. Терапевтичний ефект при цьому досягається в основному за рахунок розриву однієї або двох спіралей ниток ДНК зарядженими продуктами ядерних реакцій повільних нейтронів з ізотопом бору-10 (рис. 1).

    Якщо залишити проблему доставки дозообразующих 10В-містять препаратів до пухлини, то наступним кроком є ​​створення інтенсивного джерела нейтронів, бажано різних енергій для проведення різних типів терапії. Нейтрони можна отримувати в результаті реакцій поділу в ядерному реакторі або в тілі мішені ускорительно-керованої системи.

    В даний час для нейтронної терапії використовуються медичні пучки нейтронів, одержувані на багатоцільових дослідних реакторах. Тому вважаємо за доцільне створення спеціалізованого медичного реактора з пучком нейтронів заданих параметрів як медичного інструменту, з можливістю розташування його безпосередньо в клініці.

    © Новожилова О.О., Мелузов А.Г., Іванова Н.Л. 2017.

    Мал. 1. Схема і характеристики продуктів ядерної реакції

    Мінімально допустимий набір основних характеристик терапевтичних пучків проміжних нейтронів представлений в табл. 1.

    Характеристики "in air" пучків нейтронів, призначених для НЗТ

    Таблиця 1

    Фо / Фергі * 109, див-2с-1 «Забруднення» пучка ^ Ерг / Фергі Середня енергія, МеВ

    Ф / а * / Фш,% * 100 Ф ^ Фш,% * 100 D / Фергі, сГр-см2 * 10-11 D / as / Фepг|, сГр-см2 * 10-11

    парадигма НЗТ > 1 ^ 0 ^ 0 < (2 - 5) < (2 - 5) > 0,7

    MITR (США) 4,2 /? 1,3 4,3 0,84

    TAPIRO (Італія) 1,1 / 0,80 6 20 6,74 4,25 0,81 0,0087

    МАРС (Росія) 1,5 / 1,0 13 6 6,14 11,8 0,75 0,036

    Еталонним для проведення НЗТ вважається пучок, що отримується на дослідницькому реакторі Массачусетського технологічного університету (рис. 2). Це реактор бакового типу, потужністю 6 МВт, що охолоджується легкої водою і використовує в якості відбивача важку воду. Паливом служить високозбагаченого уранове паливо у вигляді уран-алюмінієвої металокераміки з алюмінієвої оболонкою. Максимальна температура теплоносія 55 ° С.

    Наступним є дослідний реактор TAPIRO (Італія) (рис. 3). Це швидкий реактор максимальною потужністю 5 кВт, що охолоджується гелієм. Паливом служить гомогенне високозбагаченого уран-молибденовое паливо, виконане у вигляді циліндра радіусом 6 см і заввишки 11 см з циліндричним мідним відбивачем (товщиною 30 см) і сферичної борованої бетонної захистом (товщиною 170 см). Канали різних розмірів і з різними спектрами нейтронів розподілені навколо сердечника. У велику теплову колону (2 м3) можуть встановлюватися змінні експериментальні збірки для проведення різних досліджень. При максимальній потужності 5 кВт найвищий потік 4,0 • 1012 н / см2 / с (8,0 • 1011 н / см2 / с з енергією E > 1,35 МеВ) доступний в середині сердечника через діаметральний канал.

    У нього був один суттєвий недолік: «шибер», що дає поле квадратної форми з розмірами 12 * 12 см і 20 * 20 см, що суттєво перевищує розміри будь-якої пухлини. Але на ньому запропоновано і проведено кілька сеансів НЗТ на органах, витягнутих з тіла пацієнта (печінка), що також в майбутньому може виявитися дуже перспективним.

    НЗТ було основною діяльністю протягом декількох років, проте через проблеми фінансування та дозволів для терапії пацієнтів ця діяльність була закрита.

    Мал. 2. Принципова схема дослідного реактора Массачусетського технологічного інституту

    Мал. 3. Дослідницький реактор TAPIRO (Італія)

    Найбільша кількість пацієнтів, які зазнали НЗТ, спостерігається в Японії, де функціонувало два дослідних реактора з терапевтичними пучками для НЗТ, наприклад, реактори університету Кіото і ЖЯ4 (Агентство атомної енергії) (рис. 4).

    ^ / ^ Вуха 'Лу У ///

    Acrylic box '/ Л. Collimator

    PRR-i 1999-2006

    3.5 MW thermal mode 1.9 ЮЧ Epithermal mode 2.6 10 'Mix mode 2,9 | 10V Л? Р! |} / Фл rpilh 0-71

    б)

    Мал. 4. Дослідницькі реактори KURRI (а) і JRR4 (б) застосовувалися для цілей нейтронно-загарбної терапії

    У Росії розробляється проект реактора МАРС (медичний амеріціевий реактор сольовий). Це реактор з паливом на основі 242тАт для нейтронної терапії. Загальні характеристики наступні: теплова потужність не вище 10 кВт, щільність потоку нейтронів в місці розташування пацієнта не менше 1-109 н / см2с, ставлення дозових навантажень по гамма-випромінювання і нейтронів не більше 0,2. Реактор являє собою циліндричний обсяг, в якому вміщено паливо - водний розчин АТ 2 (804) з і теплоносій - вода. Паливо і теплоносій конструктивно розділені між собою. Знімання тепла здійснюється шляхом природної циркуляції. Система керуючих стрижнів розташована в берилієвих відбивачі. Маса америцію (100% 242тАт) становить близько 19 г, що забезпечує в холодному стані реактора Кефф = 1,02. При обраної конструкції реактора температура палива не перевищує 80оС, а максимальна температура води в контурі природної циркуляції не перевищує 60оС. Пучок нейтронів виводиться з торця активної зони реактора. Для формування і фільтрації пучка нейтронів, для зниження потоку гамма-випромінювання використовується фільтр. Щільність потоку нейтронів на виході пучка становить 3-109 н / см2с (рис. 5).

    Мал. 5. Конструкція РУ МАРС

    Таким чином, стоїть завдання створення реактора, на якому можна було б створювати терапевтичні пучки нейтронів і проводити лікування за принципом НЗТ. І, як показує досвід, на даному реакторі повинні бути передбачені як мінімум два канали для терапевтичних пучків і плюс канали діагностичного та дослідницького характеру.

    Якщо ми будемо говорити про спеціалізований реакторі, то якими характеристиками він повинен володіти, якщо вважати, що пучок задовольняє всім медичним вимогам? В першу чергу, реактор повинен бути безпечним, оскільки мова йде про встановлення в медичному центрі, у великому місті з мільйонним населенням. Будь-які запроектні аварії з тяжкими наслідками були б неможливими. Реактор повинен володіти внутрішньо властивою безпекою. Звідси випливає і простота в управлінні, так як в ідеалі керувати ним повинен невеликий штат інженерів, який зможе дозволити собі великий медичний центр (2-3 людини).

    Для забезпечення нерозповсюдження яка розділяє матеріалу, по-перше, в якості палива повинен застосовуватися низькозбагачений або природний уран, робоча кампанія повинна

    бути розрахована на 10-15 років. По-друге, конструкція реактора повинна передбачати можливість зміни цілком корпусу реактора з усім технологічним обладнанням першого контуру (концепція одноразового блоку, який просто змінюється). На заводі з переробки ВЯП цей блок розкривається і з нього витягується активна зона.

    Так як реактор встановлюється безпосередньо в медичному центрі, то він повинен мати прийнятні масогабаритні характеристики. І крім того, вони повинні забезпечувати можливість його транспортування залізничним, а в ідеалі - автомобільним транспортом. Для забезпечення цієї вимоги можна розглянути концепції енергетичних реакторів малої потужності: Гіперіон (США), Свічка (Японія), СВБР, КЛТ (Росія).

    Медичний реактор може працювати в старт-стопного режимі, і тоді процедура його підготовки і запуску не повинна перевищувати декількох годин: або ж це цілодобова робота з «активним» і «сплячим» режимами.

    Таким чином, можна сформулювати базові вимоги до ядерного реактора як спеціалізованому медичному інструменту: оптимальна характеристика одержуваного нейтронного пучка, кілька каналів виведення нейтронного пучка (з різними характеристиками для різних цілей), безпеку і екологічність, зручність і простота експлуатації, економічна привабливість і можливість установки на діючої майданчику великого медичного центру.

    бібліографічний список

    1. Довбня, А.Н. Нейтрони проти раку / О.М. Довбня, Е.Л. Купленніков, С.С. Кандибей, В.В. Красильников // Фізика елементарних частинок і атомного ядра. - 2014. - Т. 45. - Вип. 5-6.

    2. Левченко, В.А. Основні характеристики амеріціевого реактора для нейтронної терапії. Реактор «МАРС» / В.А. Левченко [и др.] // Вісті вузів. Ядерна енергетика. - 2003. - №3.

    3. Борисов, Г.І. Теоретичні та експериментальні фізичні методи нейтронно-загарбної терапії // Фізика елементарних частинок і атомного ядра. - 2011. - Т. 42. - Вип. 5.

    4. Кураченко Ю.А. МАРС і TAPIRO: реактори малої потужності для нейтронозахватної терапії / Ю.А. Кураченко, Д.Н. Моісеєнко // Ядерна енергетика. - 2010. - № 1. - С. 153-163.

    5. Harling, O.K. Fission reactor based epithermal neutron irradiation facilities for routine clinical application in BNCT - Hatanaka memorial lecture // Applied Radiation and Isotopes. 67 (7-8): S7-11. doi: 10.1016 / j.apradiso.2009.03.095.

    6. Мусабаєвим, Л.І. Нейтронна терапія на циклотроні У-120. До 30-річчя застосувань нейтронної терапії - огляд результатів наукових досліджень / Л.І. Мусабаєвим [и др.] // Медична радіологія та радіаційна безпека. - 2013. - Т. 58. - №2.

    7. Кураченко, Ю.А. Критерії якості нейтронних пучків для променевої терапії / Ю.А. Кураченко, Ю.А. Казанський, Е.С. Матусевич // Известия вузів. Ядерна енергетика. - 2008. - №1.

    Дата надходження до редакції 21.04.2017

    O.O. Novozhilova, A.G. Meluzov, N.L. Ivanova ANALYSIS OF APPLICATION OF NUCLEAR REACTORS IN MEDICAL PRACTICE

    Nizhny Novgorod state technical university n. a. R. E. Alekseev

    Purpose: analysis of the possibility of using nuclear facilities for medical purposes, in particular for radiation therapy Design / methodology / approach: analytical review of the use of nuclear facilities for neutron capture therapy. Results: presented the physical characteristics of neutron capture therapy as one of the advanced methods of radiotherapy. Formulated the basic requirements for a nuclear installation as a specialized medical instrument.

    Key words: nuclear reactor, radiation therapy, neutron capture therapy.


    Ключові слова: ЯДЕРНИЙ РЕАКТОР /ПРОМЕНЕВА ТЕРАПІЯ /Нейтронно-захватні ТЕРАПІЯ

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити