Научно-производственное объединение «ЛУЧ» создало высокоплотные высокотемпературные мишени из карбидов тугоплавких металлов для получения моноизотопов медицинского назначения

 

 

Старший научный сотрудник отдела научного прогнозирования ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ», кандидат технических наук Ирина Савватимова 

 

Заведующий лабораторией короткоживущих ядер ФГБУ «Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова» НИЦ Курчатовский инсти-тут, кандидат физико-математических наук Владимир Пантелеев 

 

 

 

Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт научно-производственное объединение «ЛУЧ» решает задачи по разработке и обеспечению атомной промышленности тепловыделяющими элементами и сборками для ядерных энергодвигательных установок, а также создает тепловыделяющие элементы нового поколения. Предприятие является уникальным комплексом современных технологий на основе монокристаллических и высокотемпературных материалов.

 

 

История ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» берет отсчет с 1946 года. Становление предприятия началось с разработки технологий и выпуска экзотических на то время материалов, таких как торий, индий, таллий, галлий, титан, а затем редкоземельных металлов, иттрия и скандия, а также бериллия и циркония. В последующие десятилетия на предприятии были разработаны технологии новых видов высокотемпературных керамических ядерных топлив, конструкционных материалов, компактных замедлителей из гидридов циркония и иттрия, биологической защиты из гидрида титана, бериллиевых отражателей и разнообразные конструкции высокотемпературных тепловыделяющих элементов (твэл) и сборок на их основе.

 

 

На базе этих уникальных разработок в последние годы созданы высокоэффективные материалы с целью получения моноизотопов для ядерной медицины.

Росатом начиная с 2011 года поддерживает проекты ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» по теме «Высокоплотные высокотемпературные мишени из карбидов тугоплавких металлов для получения моноизотопов медицинского назначения». 

Высокотемпературные мишени высокой плотности из карбидов различных металлов при облучении протонным пучком позволяют получать различные радионуклиды медицинского назначения и выделять их при высокой температуре, значительно снижая при этом количество жидких радиоактивных отходов, производимых методами обычного радиохимического выделения. При использовании таких мишеней на масс-сепараторе, установленном на пучке циклотрона с энергией 40–80 МэВ, можно получать медицинские радиоизотопы высокой чистоты – моноизотопные источники радионуклидов для медицины. При этом полностью отсутствуют ЖРО (жидкие радиоактивные отходы).

 

 

Высокоплотные высокотемпературные мишени из карбидов тугоплавких UC и UZr(CN) с плотностью (90 ± 6) %, YC2 и ZrC с рабочей температурой от 2100 до 2700 °С были изготовлены методам порошковой металлургии в ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» и поставлены в Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова (ФГБУ «ПИЯФ» НИЦ КИ) с целью исследования генерации медицинских радионуклидов на протонном синхроциклотроне ПИЯФ и получения моноизотопных источников на масс-сепараторной установке «ИРИС», установленной на пучке этого синхроциклотрона.

 

 

На первом этапе проведения исследований мишенных веществ с целью получения моноизотопов для ядерной медицины были изготовлены мишенные диски из UC, UZr(CN) и показана возможность эффективного получения и выделения изотопов различных химических элементов с эффективностью выхода 60–90% при температурах 1900–2500 °С (ФГБУ «ПИЯФ» НИЦ КИ). Проведена наработка изотопов щелочных элементов Cs 131, 132 и 136 с периодами полураспада 10, 6,5 и 12 дней соответственно и эффективностью 73–88%, Rb 86m, 88 и 89 с периодами полураспада 1, 18 и 15 минут соответственно и эффективностью 7, 13, 21%, изотопов Fr 211–224 и периодами полураспада 1–20 минут и эффективностью 15–30% из UC.

 

 

Перспективным радионуклидом с точки зрения использования в ядерной терапии может считаться 131Cs с периодом полураспада Т1/2 = 9,7 дня. Особен-ность этого изотопа заключается в том, что он распадается только ε+-захватом, излучая Оже-электроны с энергией в несколько эВ, и их пробег в ткани составляет не более нескольких нанометров, поэтому подобные изотопы, излучающие Оже-электроны, используются для терапии злокачественных образований на молекулярном уровне.

В процессе работы на протонном пучке синхроциклотрона ПИЯФ на установке «ИРИС» были измерены выходы радиоизотопов 208Fr, 211Fr, 212Fr, 223Fr и 224Fr. Особая привлекательность изотопов франция состоит в том, что, являясь тяжелыми нейтронно-дефицитными изотопами, они лежат в области альфа-распадчиков и большинство из них распадается α-распадом, причем большая часть дочерних ядер, образующихся после распада франция, распадается также α-распадом. Франций, как щелочной элемент, имеет относительно низкий потенциал ионизации и легко ионизуется в источнике поверхностной ионизации при температуре 2300 °С с эффективностью, близкой к 100%. Изотопы франция с периодами полураспада до нескольких десятков минут дают в процессе альфа- или бета-распада дочерние нуклиды и могут использоваться в медицине в качестве терапевтических α-излучателей с энергией альфа-частиц 5–6 МэВ. Поскольку пробег в ткани составляет несколько десятков микрон (порядка размера клетки), то может быть применен для терапии злокачественных образований на клеточном уровне. 

 

 

На следующем этапе были получены мишенные диски из карбида цирко-ния и дикарбида иттрия для получения генераторного изотопа Sr-82. Также были выделены радиоизотопы – альфа-излучатели Ra-223, 224 из облученной мишени из монокарбида урана высокой плотности.

Определена эффективность выделения изотопа Sr-82 при температуре 2300 °С из ZrC. Эффективность выделения Sr-82 при нагреве мишени из ZrC при температуре 2300 °С составила ~30% за два часа выделения, а с увеличением времени выделения до 10 часов – до 90%. С переходом на дикарбид иттрия эффективность выделения Sr-82 достигает ~90% за два часа выделения при температуре около 2000 °С. Sr-82, полученный из мишеней из дикарбида иттрия и карбида циркония, является очень перспективным радионуклидом при использовании в позитронной эмиссионной томографии для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний. Применение его в клиниках мира растет быстрыми темпами (рост ~25% в год). В России использование стронция-82 только начинается, и поэтому рост его использования ожидается еще более интенсивным. С использованием изотопа Sr-82, выделенного в ПИЯФ из мишеней карбида иттрия и циркония и поставленного в конце 2012 года в РНЦ РХТ (Российский научный центр радиологии и хирургических технологий), были проведены испытания Sr-82/Rb-82-генератора. Далее будут проведены клинические испытания с использованием Sr-82, который будет производиться на циклотроне Ц-80, запускаемом в ПИЯФ в конце 2013 года. Для проведения клинических испытаний с использованием генераторного изотопа Sr-82 РНЦ РХТ крайне нуждается в его регулярном получении. Применяя мишени из дикарбида иттрия и/или карбида циркония, предполагается достичь активности поставляемых образцов 0,2 Кюри, что является величиной, достаточной для проведения клинических испытаний в РНЦ РХТ и последующих диагностических процедур пациентов. Так как период полураспада генераторного радионуклида Sr-82 Т1/2 = 25,55 суток, он может также по-ставляться в любые отдаленные пункты России и за границу. В этом случае получаемая активность может быть доведена до нескольких Кюри. 

 

Читать статью полностью