Анализ применения ядерных реакторов в медицинской практике

УДК 615.47

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

АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Рассмотрены принципиальные возможности использования в медицинской практике ядерного реактора, как специализированного инструмента для проведения лучевой терапии. Приводятся физические характеристики одного из перспективных видов лучевой терапии - нейтронно-захватной. Представлен обзор зарубежных и отечественных ядерных установок и проектов, предназначенных для данной цели. Сформулированы базовые требования к ядерной установке как специализированному медицинскому инструменту.

Ключевые слова: ядерный реактор, лучевая терапия, нейтронно-захватная терапия.

Одной из проблем современной клинической медицины является борьба с онкологическими заболеваниями. Наряду с традиционными способами лечения в настоящее время перспективным направлением представляется нейтронная терапия, обладающая высокой эффективностью за счет более выраженного повреждающего действия раковых клеток по сравнению с электронами, рентгеновским и у-излучением.

Нейтронная терапия подразделяется на два вида: нейтронно-захватная (НЗТ) и терапия быстрыми нейтронами или нейтронно-соударная (НСТ).

Идея НЗТ была сформулирована в 1936 году после открытия нейтрона. Ее физические основы просты и элегантны. Это бинарная система, использующая два отдельных компонента для создания терапевтического эффекта. Каждый компонент в отдельности не обладает противоопухолевыми свойствами, но их комбинация производит высокий летальный эффект. Первый компонент - нетоксичный, нерадиоактивный изотоп, обладающий большим сечением поглощения нейтронов (сотни тысячи барн), который селективно накапливается или вводится в опухолевые ткани, например, изотопы бор-10, гадолиний-64 и кадмий-113 (в эксперименте). Второй - пучок плотноионизирующего излучения необходимой геометрической формы и спектрального состава (медленные нейтроны). Таким образом, достигается прицельное (таргетное) уничтожение опухолевых и сохранение здоровых клеток.

В результате поглощения нейтрона изотопом бора-10 образуется возбужденное ядро бора-11, которое за 10 12 секунды распадается на ядро лития-7 и альфа-частицу, разлетающиеся с большой энергией. В 6 % случаев их суммарная энергия 2,8 МэВ, а в 94 % -2,3 МэВ, поскольку 0,48 МэВ выносится гамма-квантом. Эти заряженные частицы быстро тормозятся: ядро лития на длине 5 мкм, альфа частица на 7 мкм. Поскольку размер клетки порядка 10-12 мкм, то 80 % энергии ядерной реакции выделяется именно в той клетке, которая содержала ядро бора, которое поглотило нейтрон. Терапевтический эффект при этом достигается в основном за счет разрыва одной или двух спиралей нитей ДНК заряженными продуктами ядерных реакций медленных нейтронов с изотопом бора-10 (рис. 1).

Если оставить проблему доставки дозообразующих 10В-содержащих препаратов к опухоли, то следующим шагом является создание интенсивного источника нейтронов, желательно различных энергий для проведения разных типов терапии. Нейтроны можно получать в результате реакций деления в ядерном реакторе или в теле мишени ускорительно-управляемой системы.

В настоящее время для нейтронной терапии используются медицинские пучки нейтронов, получаемые на многоцелевых исследовательских реакторах. Поэтому представляется целесообразным создание специализированного медицинского реактора с пучком нейтронов заданных параметров как медицинского инструмента, с возможностью расположения его непосредственно в клинике.

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

Рис. 1. Схема и характеристики продуктов ядерной реакции

Минимально допустимый набор основных характеристик терапевтических пучков промежуточных нейтронов представлен в табл. 1.

Характеристики "in air" пучков нейтронов, предназначенных для НЗТ

Таблица 1

Фо/Ферг *109, см-2с-1 «Загрязнение» пучка ^ерг/Ферг Средняя энергия, МэВ

Ф/а*/Фш, % *100 Ф^Фш, % *100 D/Ферг, 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 (Италия) 1,1/0,80 6 20 6,74 4,25 0,81 0,0087

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

Эталонным для проведения НЗТ считается пучок, получаемый на исследовательском реакторе Массачусетского технологического университета (рис. 2). Это реактор бакового типа, мощностью 6 МВт, охлаждаемый легкой водой и использующий в качестве отражателя тяжелую воду. Топливом служит высокообогащенное урановое топливо в виде уран-алюминиевой металлокерамики с алюминиевой оболочкой. Максимальная температура теплоносителя 55 °С.

Следующим является исследовательский реактор TAPIRO (Италия) (рис. 3). Это быстрый реактор максимальной мощностью 5 кВт, охлаждаемый гелием. Топливом служит гомогенное высокообогащенное уран-молибденовое топливо, выполненное в виде цилиндра радиусом 6 см и высотой 11 см с цилиндрическим медным отражателем (толщиной 30 см) и сферической борированной бетонной защитой (толщиной 170 см). Каналы различных размеров и с различными спектрами нейтронов распределены вокруг сердечника. В большую тепловую колонну (2 м3) могут устанавливаться сменные экспериментальные сборки для проведения различных исследований. При максимальной мощности 5 кВт самый высокий поток 4,0 • 1012 н/см2/с (8,0 • 1011 н/см2/с с энергией E > 1,35 МэВ ) доступен в середине сердечника через диаметральный канал.

У него имелся один существенный недостаток: «шибер», дающий поле квадратной формы с размерами 12*12 см и 20*20 см, что существенно превышает размеры любой опухоли. Но на нем предложено и проведено несколько сеансов НЗТ на органах, извлеченных из тела пациента (печень), что также в будущем может оказаться очень перспективным.

НЗТ было основной деятельностью в течение нескольких лет, однако из-за проблем финансирования и разрешений для терапии пациентов эта деятельность была закрыта.

Рис. 2. Принципиальная схема исследовательского реактора Массачусетского технологического института

Рис. 3. Исследовательский реактор TAPIRO

Самое большое количество пациентов, подвергшихся НЗТ, наблюдается в Японии, где функционировало два исследовательских реактора с терапевтическими пучками для НЗТ, например, реакторы университета Киото и ЖЯ4 (Агентство атомной энергии) (рис. 4).

^/^УХу ' 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)

Рис. 4. Исследовательские реакторы KURRI (а) и JRR4 (б) применявшиеся для целей нейтронно-захватной терапии

В России разрабатывается проект реактора МАРС (медицинский америциевый реактор солевой). Это реактор с топливом на основе 242тАт для нейтронной терапии. Общие характеристики следующие: тепловая мощность не выше 10 кВт, плотность потока нейтронов в месте расположения пациента не менее 1-109 н/см2с, отношение дозовых нагрузок по гамма-излучению и нейтронам не более 0,2. Реактор представляет собой цилиндрический объем, в котором помещено топливо - водный раствор Ат2(804)з и теплоноситель - вода. Топливо и теплоноситель конструктивно разделены между собой. Теплосъем осуществляется путем естественной циркуляции. Система управляющих стержней расположена в бериллиевом отражателе. Масса америция (100% 242тАт) составляет около 19 г, что обеспечивает в холодном состоянии реактора Кэфф = 1,02. При выбранной конструкции реактора температура топлива не превышает 80оС, а максимальная температура воды в контуре естественной циркуляции не превышает 60оС. Пучок нейтронов выводится с торца активной зоны реактора. Для формирования и фильтрации пучка нейтронов, для снижения потока гамма-излучения используется фильтр. Плотность потока нейтронов на выходе пучка составляет 3-109 н/см2с (рис. 5).

Рис. 5. Конструкция РУ МАРС

Таким образом, стоит задача создания реактора, на котором можно было бы создавать терапевтические пучки нейтронов и проводить лечение по принципу НЗТ. И, как показывает опыт, на данном реакторе должны быть предусмотрены как минимум два канала для терапевтических пучков и плюс каналы диагностического и исследовательского характера.

Если мы будем говорить о специализированном реакторе, то какими характеристиками он должен обладать, если считать, что пучок удовлетворяет всем медицинским требованиям? В первую очередь, реактор должен быть безопасным, поскольку речь идет об установке в медицинском центре, в крупном городе с миллионным населением. Любые запроектные аварии с тяжелыми последствиями должны быть исключены. Реактор должен обладать внутренне присущей безопасностью. Отсюда вытекает и простота в управлении, так как в идеале управлять им должен небольшой штат инженеров, который сможет позволить себе крупный медицинский центр (2-3 человека).

Для обеспечения нераспространения делящего материла, во-первых, в качестве топлива должен применяться низкообогащенный или природный уран, рабочая кампания должна

быть рассчитана на 10-15 лет. Во-вторых, конструкция реактора должна предусматривать возможность смены целиком корпуса реактора со всем технологическим оборудованием первого контура (концепция одноразового блока, который просто меняется). На заводе по переработке ОЯТ этот блок вскрывается и из него извлекается активная зона.

Так как реактор устанавливается непосредственно в медицинском центре, то он должен иметь приемлемые массогабаритные характеристики. И кроме того, они должны обеспечивать возможность его транспортировки железнодорожным, а в идеале - автомобильным транспортом. Для обеспечения данного требования можно рассмотреть концепции энергетических реакторов малой мощности: Гиперион (США), Свеча (Япония), СВБР, КЛТ (Россия).

Медицинский реактор может работать в старт-стопном режиме, и тогда процедура его подготовки и запуска не должна превышать нескольких часов: либо же это круглосуточная работа с «активным» и «спящим» режимами.

Таким образом, можно сформулировать базовые требования к ядерному реактору как специализированному медицинскому инструменту: оптимальная характеристика получаемого нейтронного пучка, несколько каналов вывода нейтронного пучка (с различными характеристиками для разных целей), безопасность и экологичность, удобство и простота эксплуатации, экономическая привлекательность и возможность установки на действующей площадке крупного медицинского центра.

Библиографический список

1. Довбня, А.Н. Нейтроны против рака / А.Н. Довбня, Э.Л. Купленников, С.С. Кандыбей, В.В. Красильников // Физика элементарных частиц и атомного ядра. - 2014. - Т. 45. - Вып. 5-6.

2. Левченко, В.А. Основные характеристики америциевого реактора для нейтронной терапии. Реактор «МАРС» / В.А. Левченко [и др.] // Известия вузов. Ядерная энергетика. - 2003. - №3.

3. Борисов, Г.И. Теоретические и экспериментальные физические методы нейтронно-захватной терапии // Физика элементарных частиц и атомного ядра. - 2011. - Т. 42. - Вып. 5.

4. Кураченко Ю.А. МАРС и TAPIRO: реакторы малой мощности для нейтронозахватной терапии / Ю.А. Кураченко, Д.Н. Моисеенко // Ядерная энергетика. - 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. Мусабаева, Л.И. Нейтронная терапия на циклотроне У-120. К 30-летию применений нейтронной терапии - обзор результатов научных исследований / Л.И. Мусабаева [и др.] // Медицинская радиология и радиационная безопасность. - 2013. - Т. 58. - №2.

7. Кураченко, Ю.А. Критерии качества нейтронных пучков для лучевой терапии / Ю.А. Кураченко, Ю.А. Казанский, Е.С. Матусевич // Известия вузов. Ядерная энергетика. - 2008. - №1.

Дата поступления в редакцию 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.