(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療用中性子源であって、
−前部、後部、２つの横壁、ならびに蓋及び底部を有する平行六面体形状のハウジングによって形成された炉心を有する原子炉、
後部、側部、頂部及び底部の側部から炉心を覆い、かつ後部、側部、上部及び下部の反射材を備える中性子の反射材、を備え、
上部支持及び下部離隔格子が前記ハウジング上に配置され、
上部シャンクが上部支持格子に安定して固定され、温度拡張燃料棒の下の下部シャンクの垂直運動の可能性がある、燃料棒、
ＣＰＳ制御装置の配置のために前記ハウジングの蓋の上に位置するチャネル、を備え、
熱安定化された一次回路の冷却材の供給分岐管及び排出分岐管が前記ハウジング上に配置され、
冷却材によるＣＰＳ制御装置の配置のための燃料棒及びチャネルの洗浄を確実にするためのハウジングの内部容積を分離する仕切り；
−散乱断面が大きく、原子質量が大きい材料からなる円錐孔を有するコリメータ、
−円錐孔のより大きい直径が反応炉の炉心のシェルの前壁に隣接するように、リードコリメータの円錐孔に配置された中性子フィルター、
−中性子反射材及びコリメータを覆い、かつ前部、背部、側部、頂部及び底部に細分された保護部、
−中性子捕捉療法のためのチャネルであって、前側保護部の穴によって形成され、リードコリメータの円錐形の穴と同軸に配置されるチャネル、
−側部保護部の貫通孔と側部反射材とによって形成された、高速中性子治療のための少なくとも１つのチャネル、
−中性子捕捉療法のための中性子出口チャネルを開閉するための第１可動ゲート、
−高速中性子治療のための中性子出口チャネルを開閉するための第２可動ゲート、を備える、医療用中性子源。
【請求項２】
前記一次回路が、循環ポンプ、前記炉心の入口の冷却材温度安定器、及び体積補償器を備える、請求項１に記載の医療用中性子源。
【請求項３】
前記循環ポンプ、前記冷却材温度安定器、及び液圧回路に接続された容積補償器が、保護部の外側に位置することを特徴とする請求項２に記載の医療用中性子源。
【請求項４】
前記後部保護部及び前記後部反射材には、前記炉心への前記供給分岐管へ、及び冷却材の排出分岐管へ接続された前記第１の回路配管を配置するようにチャネルが配列されていることを特徴とする、請求項１に記載の医療用中性子源。
【請求項５】
前記ハウジングの蓋が、ＣＰＳ制御装置を配置するための少なくとも４つのチャネルが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の医療用中性子源。
【請求項６】
前記ＣＰＳ制御装置を配置するためのチャネルには、関連するＣＰＳ移動機構とのねじ接続部が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の医療用中性子源。
【請求項７】
ＣＰＳの制御装置を動かすための機構の駆動部を位置決めするために上部保護部及び上部反射材チャネルが設けられていることを特徴とする、請求項６に記載の医療用中性子源。
【請求項８】
ＣＰＳ制御装置を配置するため、チャネル内のＣＰＳ制御装置の移動機構によって移動可能な、少なくとも４つの制御ロッドがＣＰＳ制御装置として使用されることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一項に記載の医療用中性子源。
【請求項９】
ＣＰＳ制御装置の１つが、名目上の電力のための原子炉炉心出力レギュレータとして選択されることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一項に記載の医療用中性子源。
【請求項１０】
前記後部、側部、上部及び下部の反射材が、ステンレス鋼のブロックで作られていることを特徴とする請求項１に記載の医療用中性子源。
【請求項１１】
前記後部、側部、上部及び下部反射材の厚さが、２９０ｍｍから３１０ｍｍの間隔から選択されることを特徴とする請求項１に記載の医療用中性子源。
【請求項１２】
炉心ハウジングの内部容積の平行六面体の長さ、高さ及び幅が、それぞれ４９０ｍｍから４９８ｍｍ、１７２ｍｍから１８０ｍｍ、及び４１０ｍｍから４９０ｍｍの間隔から選択されることを特徴とする請求項１に記載の医療用中性子源。
【請求項１３】
炉心中の燃料棒が、ステップ長が１１．６ｍｍ〜１２．４ｍｍの間隔で選択される正方形の格子状に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の医療用中性子源。
【請求項１４】
１５％から２０％の間隔から選択される２３５Ｕの濃縮度を有する二酸化ウラン（ＵＯ２）が燃料棒の燃料として使用されることを特徴とする、請求項１に記載の医療用中性子源。
【請求項１５】
Ｂ４Ｃが制御棒の吸収材として使用されることを特徴とする、請求項１に記載の医療用中性子源。
【請求項１６】
Ｐｂがコリメータ材料として使用されることを特徴とする、請求項１に記載の医療用中性子源。
【請求項１７】
医療用中性子源のための原子炉であって、
前部、後部及び２つの横壁、ならびに蓋及び底部を有する平行六面体形状のハウジングによって形成された炉心、
後部、側部、頂部及び底部側から炉心を覆う中性子反射材、を備え、
ハウジング上には、上部支持体及び下部離隔格子があり、
上部支持格子上に、上部シャンク燃料棒は、温度拡張燃料棒の下で下部シャンクの垂直運動の可能性を伴って固定的に固定され、
ハウジングの蓋の上に制御装置ＣＰＳの配置のためのチャネルが固定され、
ハウジングには、熱安定化された一次回路の冷却材の供給分岐管及び排出分岐管が設けられ、
冷却材によるＣＰＳ制御装置の配置のための燃料棒及びチャネルの洗浄を確実にするために、ハウジングの内部容積が仕切りによって分割されている、原子炉。
【請求項１８】
前記一次回路は、循環ポンプ、前記炉心への入口にある冷却材温度安定器、及び体積補償器を備える、請求項１７に記載の原子炉。
【請求項１９】
少なくとも４つの制御棒がＣＰＳ制御装置として使用され、前記ＣＰＳ制御装置を配置するためのチャネル内のＣＰＳ制御装置の移動機構によって移動可能であることを特徴とする請求項１７に記載の原子炉。
【請求項２０】
ＣＰＳ制御装置の１つが、公称出力での原子炉炉心の炉出力制御装置として選択される、請求項１９に記載の原子炉。
【請求項２１】
１５％から２０％の間隔から選択された２３５Ｕの濃縮度を有する二酸化ウラン（ＵＯ２）が燃料棒で燃料として使用されることを特徴とする、請求項１７に記載の原子炉。
【請求項２２】
Ｂ４Ｃが制御棒の吸収材として使用されることを特徴とする、請求項１７に記載の原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核医学及び医学の分野、具体的には放射線療法に関するものであり、腫瘍学的疾患の処置に適用を見出す、ヒト悪性腫瘍の中性子治療の実現に使用され得る。
【背景技術】
【０００２】
腫瘍学的疾患のある患者の７０％については、放射線療法が主な処置法である。多くの場合、癌の治療において、腫瘍に光子及び電子を照射することはそれ程有効ではない。様々な推定によれば、そのような患者の割合は、放射線療法を受ける全患者の１０〜３０％の範囲である。光子及び電子と比較して、多くの放射線生物学的利点を有する中性子の照射は、それらの補助となり得る。
【０００３】
悪性腫瘍の治療において、数ＭｅＶ〜数十ＭｅＶのエネルギーを有する高速中性子（いわゆる高速中性子治療−ＦＮＴ）及び数ｅＶ〜数十ｋｅＶの範囲のエネルギーを有するエピサーマル（中性子捕捉療法−ＮＣＴ）の両方が使用される。
【０００４】
現在、ＮＣＴは、他の方法による処置を実質的に受け入れられないこのような種類の悪性腫瘍、例えば脳腫瘍（多形性膠芽腫及び未分化星状細胞腫）及び黒色腫の処置に焦点を当てるので、最も有望であるようである。推定では、世界中で数十万人がこれらの疾患に罹患しており、ＮＣＴがそれらに適応していることが示されている。
【０００５】
腫瘍の中性子捕捉療法は、照射に使用される中性子ビームのパラメータ、特にその強度に関する高い要求を有する複雑で多成分の医療技術である。
【０００６】
ＮＣＴ処理に使用される中性子ビームは、熱中性子の小部分、０．４ｅＶ〜１０ｋｅＶのエネルギーを有する大部分の熱外中性子、及び高速中性子の小さな寄与を含む場合、「理想的」である。腫瘍の位置の深さに依存して、熱外中性子のスペクトルを変化させることが非常に望ましい。
【０００７】
必要とされる熱外中性子束密度を提供することができる設備は、ＮＣＴの供給源として役立つはずである。熱外中性子の必要なスペクトルは、数十センチメートルの厚さのフィルターの後ろに形成され得る。しかし、所望の流束密度を作り出すためには、ＦＮＴよりも高速中性子のより強力な供給源が必要である。これらの要件は、原子炉の炉心から抽出された中性子ビームによって最大限に満たされる。
【０００８】
原子炉の炉心から引き出される中性子のエネルギーは、数ｅＶから数ＭｅＶまでの非常に広い範囲にある。ビーム中の中性子のエネルギースペクトルは、例えば、平均エネルギーを高めること、低エネルギー成分（ＦＮＴの場合）を除去すること、または熱外中性子（ＮＣＴの場合）を残すことのために、特殊なフィルター及びモデレータによって変更してもよい。他の中性子源と比較して放射線治療のための反応炉の中性子の利点の中には、以下がある：中性子ビームの高エネルギー及び時空間安定性；バンドルの大きな幾何学的セクション及びセクションに沿ったフローの均一性；単方向に近い中性子の伝播。
【０００９】
現在、腫瘍学の診療所及び国内の放射線センターの臨床診療への中性子治療の大規模な導入は、集中中性子源によるこれらの医療施設の完成に完全に依存するため、放射線療法のための中性子発生に焦点をあてた小型の原子炉の開発は緊急の課題であると思われる。ロシアのためのそのような反応炉の必要性は、数十と推定され得る。
【００１０】
中性子治療のための中性子源として数十の原子炉を使用することは、世界で知られている。いくつかの反応炉設置の特徴及び医療目的の中性子源としてのそれらの使用は、以下の情報源に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】ロシア国特許出願公開第２１４１８６０号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】チブ・エー・エフ（Ｔｓｙｂ  Ａ．Ｆ．），ウリヤネンコ・エス・イー（Ｕｌｙａｎｅｎｋｏ  Ｓ．Ｅ．），マルジンスキ・ユー・エス（Ｍａｒｄｙｎｓｋｙ  Ｙｕ．Ｓ．）ら，「ニュートロン・イン・ザ・トリートメント・オブ・マリグナント・ネオプラズムズ（Ｎｅｕｔｒｏｎｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｍａｌｉｇｎａｎｔ  Ｎｅｏｐｌａｓｍｓ）」，−オブニンスク（Ｏｂｎｉｎｓｋ）：ＢＩＳＴ，２００３年，−ｐ．１１２：ｉｌｌ．−ＩＳＢＮ−５９０１９６８−０９−３
【非特許文献２】ケー・ザイツェフ（Ｋ．Ｚａｉｔｓｅｖ１），エー・ポートノフ（Ａ．Ｐｏｒｔｎｏｖ１），エフエヌティ・アット・ザ・エムピーエイチアイ・リアクター・インターナショナル・ジャーナル・オブ・ヌクレアー・エナジー・アンド・テクノロジー（ＦＮＴ  ａｔ  ｔｈｅ  ＭＥＰＨＩ  ｒｅａｃｔｏｒ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），２００４年，第１巻、第１号、ｐ．８３−１０１
【非特許文献３】エヌ・エー・ハナン（Ｎ．Ａ．Ｈａｎａｎ），アール・ビー・ポンド（Ｒ．Ｂ．Ｐｏｎｄ）及びジェイ・イー・マトス（Ｊ．Ｅ．Ｍａｔｏｓ），ア・ニュートロニック・フェアシビリティ・スタディ・フォー・エルイーユー・コンバージョン・オブ・ザ・ブルックヘブン・メディカル・リサーチ・リアクター（ビーエムアールアール）（Ａ  ｎｅｕｔｒｏｎｉｃ  ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ  ｓｔｕｄｙ  ｆｏｒ  ＬＥＵ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｂｒｏｏｋｈａｖｅｎ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｒｅａｃｔｏｒ（ＢＭＲＲ）），アルゴン・ナショナル・ラボラトリー（Ａｒｇｏｎｎｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ），ＵＳＡ  Ｐｒｏｃ．１９９７年，インターナショナル・ミーティング・オン・レデュースド・エンリッチメント・フォー・リサーチ・アンド・テスト・リアクターズ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｍｅｅｔｉｎｇ  ｏｎ  Ｒｅｄｕｃｅｄ  Ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ  ｆｏｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ＆  Ｔｅｓｔ  Ｒｅａｃｔｏｒｓ），ジャクソン・ホール（Ｊａｃｋｓｏｎ  Ｈｏｌｅ），ワイオミング（Ｗｙｏｍｉｎｇ），ＵＳＡ，１９９７年１０月
【非特許文献４】トーマス・エイチ・ニュートン・ジュニア（Ｔｈｏｍａｓ  Ｈ．Ｎｅｗｔｏｎ，Ｊｒ．），「プレリミナリー・インベスティゲーション・オブ・ザ・ユース・オブ・モノリシック・ユーエムオー・フュエル・イン・ザ・エヌアイティー・リアクター（Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｕｓｅ  ｏｆ  ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ｕ−Ｍｏ  ｆｕｅｌ  ｉｎ  ｔｈｅ  ＮＩＴ  Ｒｅａｃｔｏｒ）」，２００３年，インターナショナル・ミーティング・オン・レデュースド・エンリッチメント・フォー・リサーチ・アンド・テスト・リアクターズ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｍｅｅｔｉｎｇ  ｏｎ  Ｒｅｄｕｃｅｄ  Ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ  ｆｏｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ａｎｄ  Ｔｅｓｔ  Ｒｅａｃｔｏｒｓ），シカゴ（Ｃｈｉｃａｇｏ），イリノイ（Ｉｌｌｉｎｏｉｓ），２００３年１０月５〜１０日
【非特許文献５】ジェイ・アール・フェンホイゼン（Ｊ．Ｒ．Ｖｅｎｈｕｉｚｅｎ），「アイエヌイーイーエル・アドバンスド・ラジオテラピー・リサーチ・プログラム・アニュアル・レポート２００１（ＩＮＥＥＬ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｒａｄｉｏｔｈｅｒａｐｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｐｒｏｇｒａｍ  Ａｎｎｕａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  ２００１）」，２００２年４月，アイダホ・ナショナル・エンジニアリング・アンド・エンバイロンメンタル・ラボラトリー（Ｉｄａｈｏ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）
【非特許文献６】オレゴン・ステート・ユニバーシティ・ラジエーション・センター・アンド・ティーアールアイジーエー・リアクター・アニュアル・レポート（Ｏｒｅｇｏｎ  Ｓｔａｔｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｃｅｎｔｅｒ  ａｎｄ  ＴＲＩＧＡ  ｒｅａｃｔｏｒ  Ａｎｎｕａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ），２００２年７月１日−２００３年６月３０日
【非特許文献７】エム・ジェイ・マッコール（Ｍ．Ｊ．ＭｃＣａｌｌ），エム・ピエール（Ｍ．Ｐｉｅｒｒｅ），「ア・フェアシビリティ・スタディ・オブ・ザ・スロウポーク−２・リアクター・アズ・ア・ニュートロン・ソース・フォー・ボロン（Ａ  Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＳＬＯＷＰＯＫＥ−２  Ｒｅａｃｔｏｒ  ａｓ  ａ  Ｎｅｕｔｒｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｒ  Ｂｏｒｏｎ）」，ツウェンティフィフス・シーエヌエス／シーエヌエー・アニュアル・スチューデント・カンファレンス・マクマスター・ユニバーシティ（２５ｔｈ  ＣＮＳ／ＣＮＡ  Ａｎｎｕａｌ  Ｓｔｕｄｅｎｔ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ＭｃＭａｓｔｅｒ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ），ハミルトン（Ｈａｍｉｌｔｏｎ），オンタリオ（Ｏｎｔａｒｉｏ），２０００年３月１０−１１日
【非特許文献８】ブイ・エム・リジャエ（Ｖ．Ｍ．Ｌｉｔｊａｅｖ）、ブイ・エー・ピボボロフ（Ｖ．Ａ．Ｐｉｖｏｖａｒｏｖ），エヌー・エー・ソロビエフ（Ｎ．Ａ．Ｓｏｌｏｖｉｅｖ）ら，「メディカル・イラジエーション・ファシリティー・ベースド・オン・フルイッド・フューエル・リアクター・ウイズ・ロー・パワー（Ｍｅｄｉｃａｌ  ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｆａｃｉｌｉｔｙ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｆｌｕｉｄ  ｆｕｅｌ  ｒｅａｃｔｏｒ  ｗｉｔｈ  ｌｏｗ  ｐｏｗｅｒ）」
【非特許文献９】ロルフ・エフ・バース（Ｒｏｌｆ  Ｆ．Ｂａｒｔｈ），ジェフリー・エー・コデレ（Ｊｅｆｆｒｅｙ  Ａ．Ｃｏｄｅｒｒｅ）ら，ボロン・ニュートロン・キャプチャー・テラピー・オブ・キャンサー：カレント・ステータス・アンド・フューチャー・プロスペクツ（Ｂｏｒｏｎ  Ｎｅｕｔｒｏｎ  Ｃａｐｔｕｒｅ  Ｔｈｅｒａｐｙ  ｏｆ  Ｃａｎｃｅｒ：Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｔａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｆｕｔｕｒｅ  Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ）／／クリニカル・キャンサー・リサーチ（Ｃｌｉｎｉｃａｌ  Ｃａｎｃｅｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ），２００５年，第１１巻，第１１号，ｐ．３９８７−４００２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
既知のデバイスの主な欠点は、医療目的に適応することが本来意図されておらず困難な特定のインフラストラクチャを有する、非常に複雑でかつ厄介な工学的及び物理的設備であるということである。再構築後でさえ、これらの設備は臨床状態では使用できない。高濃縮燃料は、それらの多くが使用されているが、これは核兵器の不拡散の原則に基づき、その広範な使用は許されていない。
【００１４】
一般に、デバイスは多くのパワーを有しており、これは処置のコストに悪影響を与える。これらのデバイスは、中性子の十分視準されたビームが腫瘍内に正確に入り、患者の健康的な組織を害することができるだけ小さいことが非常に重要であるので、原則的には、固定された状態で照準される患者の作業に必要な始動−停止モードでは稼働できない。
【００１５】
この欠点の大部分は、設計中に、炉心からの中性子漏洩を最小限に抑えるという強制原則が適用され、医療目的のための中性子源としての反応炉が中性子漏出の可能性を最大にするように設計されなければならないという事実から生じた。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
特許請求された発明の実施において達成される技術的結果は、臨床で直接配置するのに適した、中性子捕捉及び高速中性子治療のための汎用的な中性子源を作成することによって医療目的のための中性子源の技術的手段の蓄えを拡大することにある。
【００１７】
加えて、技術的な結果は、非常に低い出力レベルを有する特化された小型原子炉、及び必要な中性子束密度を患者の部位に確保する操作の始動−停止モードを使用することにより、中性子源の安全性を高めることにある。
【００１８】
診療所に直接配置されるためには、中性子源は、経済的魅力がなければならず、言い換えれば、中性子のコストが最小であるべきであり、これはデバイスの単純さ、最大限の好都合な反応性確保、長期作動（少なくとも２０〜３０年）の信頼性、燃料（核兵器の原料として使用することができない）を操作している保守要員が最小構成であるおかげで達成され得る。
【００１９】
医療用中性子源の反応炉の運転中、反応炉は中性子源としてのみ、及び医療目的（がん治療）のためだけに使用されるので、その設備投資及び現在のコストは、中性子衝突及び中性子捕獲療法を使用する治療費によって、相殺されるはずである。
【００２０】
同時に、反応炉は、最低限可能な反応炉出力及び始動−停止動作を保証し、治療ビーム中の１中性子あたりの放射性廃棄物（使用済燃料及び放射性物質）は最小量であるべきである。
【００２１】
患者の照射時間中に治療効果を提供するために、中性子源は、治療セッションのために、ＮＣＴについては少なくとも１・１０９中性子・ｃｍ−２・с−２及びＦＮＴについては５・１０８中性子・ｃＭ−２・с−２という熱外中性子の流束密度を生成すべきである。
【００２２】
これらのパラメータを満たすためには、反応炉出力は１０ｋＷ程度でなければならない。
【００２３】
反応炉の安全性はまた、反応性の最小限の作動可能性、及び全ての動作モードにおける技術的パラメータの最小限の変化によっても達成され、反応性の事故を除き、遅延中性子の画分よりも低い反応性を保留することが可能である。
【００２４】
上記を実現するために、医療用中性子源は、以下の主要な構成要素（パーツ）を備える：原子炉、円錐孔を有するコリメータ、中性子フィルター、シールド、中性子捕捉療法のためのチャネル、高速中性子治療のための少なくとも１つのチャネル、中性子捕捉療法のための中性子出口チャネルを開閉するための第１の可動スライド、及び高速中性子治療のために中性子出口チャネルを開閉するための第２の可動ゲート。
【００２５】
原子炉は、平行六面体形状のハウジングによって形成された炉心であって、このハウジングが、前部、後部、２つの横壁、ならびにこのハウジングを上側及び下側から覆う蓋及び底部を備える炉心、ならびに後側、横側、上側及び底側からこの炉心を覆う中性子の反射材を備える。特定の実施形態では、この反射材は、後方、側方、上部及び底部の反射材を備えてもよい。
【００２６】
反応炉の炉心の設計は、中性子のフィルターシステム及びコリメータへの中性子の漏出を最大にすることを保証するために平坦に選択される。したがって、この側部に炉心反射材は存在しない。
【００２７】
上部支持体及び下部離間格子は、ハウジング内に配置される。上部支持格子上で、燃料棒の上部シャンクがしっかりと固定される。燃料棒の下部シャンクは、下部遠位格子内に配置され、燃料棒の温度膨張中に垂直方向に移動する可能性がある。
【００２８】
ハウジングカバーに固定されたチャネルは、制御装置及び保護システム（ＣＰＳ）を配置するために、炉心のコアの内側に配置される。
【００２９】
一次回路の熱安定化冷却材の供給及び除去を意図した、反応炉の炉心のハウジング上に配管がある。
【００３０】
ハウジングの内部には、冷却材によるＣＰＳ制御装置の配置のための燃料棒及びチャネルの洗浄を確実にするために、ケーシングの内部容積を隔てる仕切りが設けられている。後に示されるように、この区画は、停滞ゾーンを形成することなく冷却材の均一な流れを保証するラビリンスチャネルの形成と共に「互い違い」の順序で設置されてもよい。
【００３１】
コリメータは、大きな散乱断面積と大きな原子質量とを有する材料で作られている。好ましくは、鉛（Ｐｂ）がコリメータ材料として使用される。
【００３２】
中性子フィルターは、中性子捕捉療法のために中性子ビームに必要な中性子エネルギースペクトルを形成するように設計されるが、このフィルターは、円錐孔のより大きい直径が活性ゾーンのハウジングの前壁に当接するように、コリメータの円錐孔に配置される。
【００３３】
中性子反射材及びコリメータは、保護部の内側に配置され、前部、背部、側部、頂部及び底部に分割される。
【００３４】
中性子捕捉療法のためのチャネルは、リード線コリメータの円錐形開口と同軸に配置された前部シールド内の穴によって形成される。
【００３５】
高速中性子治療のためのチャネルは、側部シールド内の貫通孔と横側反射材とによって形成される。
【００３６】
第１の反応炉回路は、循環ポンプ、炉心への入口の冷却材温度安定器、及び体積補償器を備えてもよい。
【００３７】
本発明の特定の実施形態では、循環ポンプ、冷却材温度安定化装置、及び容積補償装置もまた、保護部の外側に配置される。
【００３８】
特定の実施形態では、後部保護部及び後部反射材において、供給枝管に接続された一次回路のパイプライン及び冷却材の活性ゾーンへの出口を配置するためのチャネルを設けてもよい。
【００３９】
特定の実施形態では、ハウジングカバーには、ＣＰＳ制御装置を収容するための少なくとも４つのチャネルが設けられている。この場合、ＣＰＳ制御装置を配置するためのチャンネルには、ＣＰＳ制御装置を移動するための機構が取り付けられたネジ付き継手を設けてもよい。上部保護部及び上部反射材にＣＰＳ制御装置を移動する機構のアクチュエータを配置するためのチャネルを作ってもよい。
【００４０】
特定の実施形態では、少なくとも４つの制御棒を、ＣＰＳ制御装置として使用してもよく、これは、ＣＰＳ制御装置を収容するためのチャネル内のＣＰＳ制御装置の移動機構によって移動可能である。
【００４１】
ＣＰＳ制御装置の１つを、原子炉炉心の公称出力への出力のレギュレータとして選択した。
【００４２】
特定の実施形態では、後部、側部、頂部及び底部の反射材は、ステンレス鋼のブロックでできていてもよい。
【００４３】
背部、側部、頂部及び底部の反射材の厚さは、２９０ｍｍ〜３１０ｍｍの間隔から選択されることが好ましい。
【００４４】
炉心ハウジングの内容積の平行六面体の長さ、高さ及び幅の寸法は、それぞれ、４９０ｍｍ〜４９８ｍｍ、１７２ｍｍ〜１８０ｍｍ、及び４１０ｍｍ〜４９０ｍｍの間隔から選択することが好ましい。
【００４５】
炉心の燃料棒は、段差長が、１１．６ｍｍ〜１２．４ｍｍの間隔から選択される正方形の格子状に配置されることが好ましい。
【００４６】
さらに、本発明は、燃料棒中の燃料として１５％〜２０％の間隔から選択される２３５Ｕの濃縮度である二酸化ウラン（ＵＯ２）を使用することが好ましい。このような濃縮は、核兵器の不拡散のためのＩＡＥＡの要求に従うものである。
【００４７】
また、制御棒の吸収材としてВ４Сを用いることも好ましい。
【００４８】
中性子治療を行うために、医療用中性子源は以下のように使用される。亜臨界状態の原子炉の炉心には、所定温度の冷却材が供給される。原子炉の炉心は、原子炉の名目上の出力に達するまで亜臨界状態から臨界状態に引き抜かれる。
【００４９】
その後、中性子出力チャンネルを開き、中性子治療セッションを行う。特定の中性子出力チャネルの選択は、腫瘍学的疾患の徴候によって決定される。中性子治療セッションの期間中、定格電力での反応炉の動作は維持される。
【００５０】
中性子治療セッションの終了時に、中性子出口チャネルは同時に閉じられ、炉心は亜臨界状態に移行される。
【００５１】
炉心への入口での冷却材の温度は、臨界状態への炉心の引き抜きの間及び定格電力での原子炉の運転の間の両方において、一定に保たれ、設定温度に等しい。
【００５２】
熱媒体として水が用いられるのが好ましい。
【００５３】
反応炉の芯への入口における設定水温は、１８℃〜２４℃の範囲から選択することが好ましい。
【００５４】
特定の実施形態では、炉心は、ＣＰＳ制御棒の１つを炉心から取り出すか炉心に入れることによって、それぞれ、亜臨界状態から臨界状態に、及び臨界状態から亜臨界状態に移行される。
【００５５】
上記は、本発明の性質の要約であり、したがって詳細の簡略化、一般化、包含及び／または削除があってもよく、したがって、本発明のこの概要は、例示的なものに過ぎず、いかなる制限も意味しないことが当業者には理解される。
【００５６】
示唆された本発明の性質をよりよく理解するために、図面を参照して、本発明の特許請求された群の実際的な実施の限定例ではない説明をここで示す。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１は、医療用中性子源の一般的な図及び適用を示す。
【図２】図２は、医療用中性子源の構造の不等角断面を示す。
【図３】図３は、医療用中性子源の炉心の概略図を示す。
【図４】図４は、炉心を後方から見た図である。
【図５】図５は、反応炉の炉心内の冷却材のフローチャートを示す。
【図６】図６は、炉心を通る断面を示す。
【図７】図７は、医療用中性子源の反応炉の一般化された液圧回路を示す。
【図８】図８は、図７のＡ図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
医療用中性子源１（図１）は、以下の構成要素（パーツ）を備える：原子炉２、保護部３、中性子捕捉療法用チャネル４、高速中性子治療用チャネル５、中性子捕捉療法のための中性子出口チャネルを開閉するための第１可動ゲート６、ならびに高速中性子治療のために中性子出口チャネルを開閉するための第２可動ゲート７。
【００５９】
図２に示すように、医療用中性子源１はまた、円錐孔を有するリードコリメータ８を備え、コリメータ８の円錐孔内に位置する中性子フィルター９の所要スペクトルのバンドルを受け取るように設計されている。
【００６０】
医療用中性子源の原子炉２は、液圧システム１０、炉心１１、反射材１２、制御装置、及び保護部システム１３を備えている。
【００６１】
液圧システム１０の概略図を図３に示す。記載された実施形態では、原子炉は３回路の反応炉である。
【００６２】
第１の回路１４は、炉心１１、循環ポンプ１５、熱交換器１６、及び体積補償器１７を備える。１次回路の冷却材として水が使用される。
【００６３】
第２の回路１８は、循環ポンプ１９、体積補償器２０、及び冷凍ユニット２１を備える。第１の冷却材として水も使用される。冷凍機２１の冷却は、第３の回路２２である水道水によって行われる。
【００６４】
第２の回路に冷凍機２１を用いることにより、炉心１１の入口の冷却材の温度を２０℃に安定させることが可能になる。冷却材の入口温度を安定化することにより、運転の全ての段階における反応炉の反応性の変化を実質的に低減することが可能になる。
【００６５】
医療用中性子源の反応炉の炉心を図４−７に示す。炉心１１は、内部寸法が４９４×３９７×１２０ｍｍの平行六面体形状のハウジング２３からなる。炉心ハウジング２３は、前部２４、後部２５及び２つの横壁２６を有する。ハウジング２３は、蓋２７及び底部２８によってそれぞれ上下に閉鎖されており、蓋２７及び底部２８は、スタッド２９によってハウジングに対してフランジで接続される。このハウジング２３は、蓋２７及び底部２８とハウジング周囲に近接して溶接することによって封止されている。
【００６６】
上部支持格子３０及び下部スペーサ格子３１は、ハウジング２３上に配置されている。上部シャンク燃料棒３２は、支持格子３０に固定して固定されている。固定は、上部シャンクの穴にねじ込まれたワイヤ３３によって、行われる。下部シャンク燃料棒３２は、離間格子３１を通過する。この場合、下部シャンクは、熱膨張によって垂直方向に移動することができる。燃料棒３２は、１２×１２ｍｍのピッチを有する正方形の格子内に配置される。燃料棒の長さは約３９５ｍｍという小さな値であり、冷却材の低い速度を考慮すると、中間距離の手段はなく、格子３０及び３１のみが離間している。
【００６７】
第１の回路の冷却材の循環を整えるために、ハウジング２３を、横断隔壁３４によって分割し、この隔壁３４によって、燃料棒の許容できる洗浄速度を得ることが可能になる。７つのそのような区画は、「チェッカーボード」の順序でラビリンスチャネルの形成と共に設置される。図６は、反応炉の炉心（前壁２４は図示せず）における冷却材の流れパターンを示す。この炉心設計によって、許容可能な速度で燃料棒の均一な洗浄を得ることが可能になる。
【００６８】
冷却材の流れの構成に加えて、バッフル３４は力の役割を果たし、前壁２４の厚さを中性子ビームの出口側から２ｍｍまで有意に減少させることができ、これによって次に、反応炉の炉心からの出口で中性子束密度を増大させることが可能になる。ハウジング２３の背壁２５には、冷却材を炉心１１から排出するための供給分岐部３５及び分岐管３６が設けられている。
【００６９】
炉心ハウジングのカバー２７には、ＣＰＳ制御装置を配置するためにチャネル３７が配置されている。図７及び図８に示すように、チャネル３７は、４つの燃料棒の代わりにハウジング２３内に配置される。流路３７は、壁厚０．５ｍｍのパイプΦ１０ｍｍで形成され、ＣＰＳ制御装置の移動機構が取り付けられているねじ付き端子３８で終端している。
【００７０】
反応炉反射材１２は、炉心１１を後方、側方、頂部及び底部側から覆い、後方、頂部、底部及び２つの側部に分割されている。後部、上部、下部、及び側部の反射材は、ステンレス鋼のブロック（スチール１２×１８Ｈ１０Ｔ）からできており、トータルの厚さはそれぞれ３００ｍｍである。
【００７１】
３つの反応炉の保護部は、保護部の前部３９、側部４０、後部４１、頂部４２及び下部４３に細分される。防護部の基本材料として、ホウ素化ポリエチレン及び劣化ウランが使用され、放射線の「破裂」を防止するために、ブロックｃの重なり合った接合部を有する棚によって設定されたブロックの形で使用される。
【００７２】
前部保護部３９は、ＮＣＴビームの出口及び隣接する部屋の医療用ボックスに必要な線量状況を提供する。ＮＣＴビーム出力方向の前部保護部３９は、以下を備える：
ａ）両方の保護部機能を実行するフィルター自体；
ｂ）保護部機能（主にガンマ線による）をも有するリードコリメータ；コリメータの円錐部の厚みは１５０ｍｍ、円筒部の厚さは１００ｍｍである；
ｃ）劣化ウラン（Ｕ）及びホウ素化ポリエチレン（ＰＢ）の多層保護部組成物（炉心から離れて）：
ＰＢ（４００ｍｍ）＋Ｕ（２２０ｍｍ）＋ＰＢ（１３０ｍｍ）＋Ｕ（２０ｍｍ）。
【００７３】
側部保護部４０は、ＦＮＴビーム出口及び隣接する部屋の医療用ボックスに必要な線量状況を提供する。ＦＮＴビーム出力の方向の側部保護部は：
ａ）厚さ３００ｍｍのスチール反射材；
ｂ）劣化ウラン及びホウ素化ポリエチレンの多層構造（炉心から離れる方向）：
Ｕ（１００ｍｍ）＋ＰＢ（３００ｍｍ）＋Ｕ（２００ｍｍ）＋ＰＢ（１５０ｍｍ）＋Ｕ（３０ｍｍ）。
【００７４】
構成及び構造による他の方向の側部保護部は、上部保護部４２及び下部保護部４３と同様である。これは、以下の構成の３層構成である。
【００７５】
Ｕ（１００ｍｍ）＋ＰＢ（５００ｍｍ）＋Ｕ（１００ｍｍ）。
【００７６】
後方保護部４１は、反応炉に隣接する他の部屋を保護するように設計されている。
【００７７】
後方保護部構造は、スチール反射材（３００ｍｍ）及び３層構成を含む。
【００７８】
Ｕ（１２０ｍｍ）＋ＰＢ（９００ｍｍ）＋Ｕ（１００ｍｍ）
【００７９】
中性子捕捉療法のためのチャネル４は、リードコリメータ８の円錐孔と同軸に配置された前方シールドの開口４４によって形成される。
【００８０】
高速中性子治療のためのチャネル５は、側方シールド内の貫通孔４５と側方反射材とによって形成される。
【００８１】
第１可動ゲート６は、中性子治療セッションがＦＮＴビームで行われるとき、ＮＣＴの中性子ビームを遮断することを可能にする。この場合、高速中性子治療患者の位置で中性子のバックグラウンドを最小にするために、ホウ素化ポリエチレンのプラグ４６をＮＣＴビームのチャネルに導入する。
【００８２】
第２可動ゲート７は、ＮＣＴビームに照射されている間にＦＮＴによってビームが遮断されることを可能にする。この場合、ホウ素化ポリエチレンのプラグ４７がまた、ＦＮＴチャネルに追加される。反応炉がシャットダウンされると、両方のビームがスライダでブロックされ、チャネルにはホウ素化ポリエチレンのコルクが存在する。
【００８３】
ＣＰＳ１３反応炉システムは、４つの制御棒からなる。この棒は、ドライチャンネル３７のＣＰＳドライブを使用して移動され、ＣＰＳ制御装置に位置する。制御棒の中性子吸収材（炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ））は、直径７ｍｍでシェルの厚さは０．３ｍｍの円筒形ロッドの内部に置かれる。
【００８４】
ＣＰＳ移動機構のアクチュエータ４８を、上部保護部４２及び上部反射材に配置するために、チャネルが作られる。後方保護部４１及び後方反射材４２には、供給分岐管及び炉心への冷却材の出口に接続された第１の回路の導管４９を配置するためのチャネルが配置されている。
【００８５】
従事者の数を最小にし、かつ放射性廃棄物の蓄積を最小限に抑えるための医療用中性子源の操作は、約１時間の治療セッション中にのみ行われる定格電力での反応炉の操作を意味する「始動−停止」モードで実行される。
【００８６】
１〜２人の患者に放射線を照射するためには、１日あたり約３時間の間、反応炉を稼働させる必要がある。準備、開始、停止の操作を考慮すると、診療のシフトの時間は５〜８時間になる。残りの時間（夜間または週末）、反応炉は一時的なシャットダウンモードに入る。一時停止中の監督要員の存在は必要がない。
【００８７】
中性子治療を行うために、医療用中性子源は以下のように使用する。水が使用される亜臨界状態の原子炉の炉心には、２０℃の温度の冷却材が供給される。
【００８８】
原子炉の炉心は、原子炉の名目上の出力に達する前に亜臨界から臨界まで引き抜かれる。亜臨界状態から臨界状態への炉心の移行は、炉心からＣＰＳ制御棒の１つを取り外すことによって行われる。
【００８９】
患者は、必要な中性子出口チャネルの前に置かれる。特定の中性子出力チャネルの選択は、腫瘍学的疾患の徴候によって決定される。その後、中性子治療セッションのために中性子出力チャネルが開かれる。中性子治療セッションの期間中、反応炉の運転は定格電力で維持される。
【００９０】
中性子治療セッションの終了時に、中性子出口チャネルは同時に閉じられ、炉心は亜臨界状態に移行される。炉心は、ＣＰＳ制御棒の１つを炉心に導入することによって、臨界状態から亜臨界状態に移行される。
【００９１】
炉心への入口での冷却材の温度は、臨界状態への炉心引き抜きの間及び定格出力での原子炉の運転の間の両方において、一定に保たれ、設定温度に等しい。
【００９２】
２人の患者の治療における医療用中性子源の反応炉の操作のための毎日のスケジュールは、以下のとおりであり得る：
−システム及び機器の点検、循環をオンにする
−体の輪郭曲線上では、反応炉出力は０．１〜０．５ｋＷの出力まで
−安定した温度範囲で                    −２時間
−照射のための患者の準備                −０．５時間
−最大１０ｋＷまでの出力の照射セッション−０．３−１時間
−患者の交換（電力０．１−０．５ｋＷ）  −１時間
−最大１０ｋＷまでの出力の照射セッション−０．３−１時間
−反応炉停止、患者の立ち退き            −０．３時間
−冷却、モード設定
−一時停止                              −１時間
合計                                    ５．４−６．８時間
【００９３】
二重照射セッションの後、反応炉を全てのＣＰＳ制御装置によって休止させ、設定時間を減衰させ、次いで冷却装置及び技術システムを停止させる。反応炉は翌稼働日までこの状態に置かれる。
【００９４】
本発明の様々な態様及び実施形態を本明細書に記載してきたが、この技術分野の専門家は、本発明の実施に対する他のアプローチが可能であることを理解するであろう。本発明の様々な態様及び実施形態は、例示の目的のために本明細書に記載されており、限定することを意図するものではなく、本発明の保護の範囲は、添付の特許請求の範囲に記載される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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