tnenergy в Ядерная медицина на примере технецияЕсли 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 среды 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) и у технеция нет стабильных изотопов, поэтому он не встраиваться в метаболические пути в организме и быстро выводится. Еще одним важным полезным свойством является энергия γ-излучения (140 кэВ) - она достаточно велика, что бы проникать сквозь ткани и достаточно мала, что бы не вызывать их переоблучения.
Старая 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 отличии от ПЭТ томографов, регистрируюзих аннигиляцию 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 больнице в виде генераторов технеция - свинцовых контейнеров в котором находится колонка с осажденным молибденом.
Генераторы технеция живьем...
И в разрезе.
В 20 килограммовом генераторе содержится, обычно, от 0,5 до 5 Кюри (20-120 ГБк) 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 медициной, 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 беруться генераторы технеция, наполненные 99Mo? Здесь вступают в игру ядерные реакторы. 99Mo - это один из осколков 235U, в продуктах деления его примерно 6,3%. Любой работающий гигаваттник содержит в своем топливе сотни грамм этого изотопа, при том, что потребление для медицинских нужд - всего околого 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 - радиактивность 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 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 так же 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 так же 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 80х 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 2010х 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 реактора OPAL в Австралии) по завоеванию рынка.
Неказистая РОМОЛ-99 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 течении 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 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, а генераторов технеция 150, а медицинских процедур - 2 миллиарда долларов. Такой рынок уже вполне окупает создание специальных установок для получения 99Mo, причем в основном разработки направленны 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 отличии 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 среды 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) и у технеция нет стабильных изотопов, поэтому он не встраиваться в метаболические пути в организме и быстро выводится. Еще одним важным полезным свойством является энергия γ-излучения (140 кэВ) - она достаточно велика, что бы проникать сквозь ткани и достаточно мала, что бы не вызывать их переоблучения.
Старая 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 отличии от ПЭТ томографов, регистрируюзих аннигиляцию 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 больнице в виде генераторов технеция - свинцовых контейнеров в котором находится колонка с осажденным молибденом.
Генераторы технеция живьем...
И в разрезе.
В 20 килограммовом генераторе содержится, обычно, от 0,5 до 5 Кюри (20-120 ГБк) 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 медициной, 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 беруться генераторы технеция, наполненные 99Mo? Здесь вступают в игру ядерные реакторы. 99Mo - это один из осколков 235U, в продуктах деления его примерно 6,3%. Любой работающий гигаваттник содержит в своем топливе сотни грамм этого изотопа, при том, что потребление для медицинских нужд - всего околого 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 - радиактивность 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 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 так же 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 так же 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 80х 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 2010х 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 реактора OPAL в Австралии) по завоеванию рынка.
Неказистая РОМОЛ-99 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 течении 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 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, а генераторов технеция 150, а медицинских процедур - 2 миллиарда долларов. Такой рынок уже вполне окупает создание специальных установок для получения 99Mo, причем в основном разработки направленны 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 отличии 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.