Как делают Технеций-99 - радиоактивный металл для диагностики заболеваний
Это заключительная часть из серии статей о Научно-исследовательском институте атомных реакторов, который находится в городе Димитровграде, Ульяновской области. Мы уже познакомились с технологией производства самого дорогого металла на планете - Калифорния-252, узнали, как делают топливные сборки для атомных реакторов, увидели уникальный реактор СМ-3, способный генерировать очень плотный поток нейтронов. Но всё же это не основная продукция, которую выпускает НИИ. Есть одно вещество, без которого все онкодиагностические клиники мира не смогу прожить ни дня. Цена этого радиоизотопа достигает 46 млн. долларов за грамм. Что это за вещество и почему малейшие сбои в его поставках вызывают большой переполох в мировой ядерной медицине - читайте далее...
Технеций и молибден
Это вещество - Молибден-99, с помощью которого сегодня проводится около 70% диагностических процедур в области онкологии, 50% - в кардиологии и около 90% - в радионуклидной диагностике. В силу сложности и дороговизны его получения, он широко доступен лишь в немногих развитых странах. Но как же Молибден-99 помогает в диагностике?
источник фото
На самом деле всё не так просто. Молибден-99 - не конечный продукт, который используется в ядерной медицине. Её рабочей лошадкой является другой радиоактивный металл - Технеций-99.
Запутались? Попробую объяснить.
Большинство искусственно получаемых изотопов (разновидностей одного и того же химического элемента) весьма нестабильны и быстро распадаются за счет радиоактивного излучения. Время, через которое от изначального количества вещества остаётся ровно половина (на самом деле измерения делают по величине активности в Кюри, но для простоты будем считать массу), называют периодом полураспада. К примеру, один грамм того самого дорогущего Калифорния-252 через 2,5 года превращается в половину грамма, а самый новый и последний полученный 118-й элемент таблицы Менделеева Унуноктий-294 уменьшается вдвое вообще за 1 мс. Период полураспада нашего мегаполезного изотопа Технеция-99 - всего 6 часов. В этом и его плюс, и его минус.
Реакторный корпус в НИИАР
Излучение этого изотопа является довольно мягким, не затрагивающим соседние органы, при этом оно идеально подходит для регистрации специальной аппаратурой. Технеций способен накапливаться в поражённых опухолью органах или омертвевших участках сердечной мышцы, поэтому с помощью этого метода можно, например, выявить очаг инфаркта миокарда уже через 24 часа после его начала - проблемные места в организме просто подсветятся на снимке или экране. Через несколько часов после введения Технеций-99 превращается в более устойчивый изотоп и полностью выводится из организма без каких-либо последствий для здоровья. Однако, эти 6 часов одновременно являются и головной болью медиков, так как за такое короткое время его просто невозможно доставить в клинику с места производства.
НИИАР в Димитровграде
Единственный выход из этой ситуации - производить Технеций-99 на месте, прямо в диагностической клинике. Но как это сделать? Неужели нужно оборудовать каждую клинику ядерным реактором? К счастью, этого не потребовалось. Всё дело в том, что Технеций-99 можно сравнительно легко и без реактора получить из другого изотопа - Молибдена-99, период полураспада которого составляет уже 66 часов! А это уже более-менее адекватное время, за которое изотоп можно доставить в клинику из любой точки земного шара. Специалистам в клинике остаётся лишь превратить Молибден-99 в Технеций-99 с помощью специального генератора технеция
В генераторе происходит естественный распад Молибдена-99, одним из продуктов которого и является Технеций-99, который выделяют уже химическим путем - солевой раствор вымывает технеций, но оставляет на месте молибден. Подобная процедура может производиться несколько раз в день в течение недели, после чего требуется замена генератора на свежий. Эта необходимость связана с уменьшением активности Молибдена-99 вследствие его распада, а также с начинающимся загрязнением технеция молибденом. "Старый" генератор становится непригодным для медицинских нужд. Из-за короткого периода полураспада Молибдена-99 невозможно создавать запасы генераторов технеция. Требуются их регулярные поставки на еженедельной основе или в ещё более короткие сроки.
Таким образом, молибден-99 является своего рода родительским изотопом, который удобно транспортировать до конечного потребителя. Теперь мы подходим к самому главному - процессу получения Молибдена-99.
Как делают молибден-99
Молибден-99 можно получить только двумя способами и только в ядерном реакторе. Первый способ - это взять стабильный изотоп Молибден-98 и с помощью ядерной реакции захвата нейтрона превратить его в Молибден-99. Это наиболее "чистый" метод, который, однако, не позволяет получать коммерческие объёмы изотопа. Нужно отметить, что этот способ является перспективным и в настоящее время совершенствуется. Уже сегодня Япония собирается использовать этот метод для производства молибдена для собственных нужд.
Второй способ заключается в делении ядер высокообогащённого Урана-235 плотным потоком нейтронов. При "обстреле" урановой мишени нейтронами, она распадается на множество более лёгких элементов, одним из которых и является Молибден-99. Если вы уже читали первую часть этой серии статей, то наверняка должны помнить про уникальный в своем роде реактор СМ-3, который и генерирует тот самый плотный поток нейтронов - снарядов, разбивающих "малину" урана на несколько маленьких "ягодок".
Мишени могут быть различной формы - пластины, стержни и т.д. Они могу быть сделаны как из металлического урана, так и из его оксида или сплава с другим металлом (например, алюминием). Мишени в оболочках из алюминия или нержавеющей стали помещаются в активный канал реактора и выдерживаются там на протяжении определённого времени.
Реактор СМ-3 в НИИАР
После извлечения мишени из реактора, она охлаждается водой в течение половины суток и переносится в специальную "горячую" лабораторию, где из смеси продуктов деления урана химическим путём выделяют искомый Молибден-99, которого там окажется всего 6%. С этого момента запускается обратный отсчёт времени жизни нашего молибдена, за которой готов заплатить заказчик. Эту процедуру необходимо провести как можно быстрее, так как после облучения мишени каждый час теряется до 1% молибдена вследствие его распада.
В "горячей" камере, с помощью электромеханических манипуляторов, материал мишени с помощью щёлочи или кислоты превращается в жидкий раствор, из которого различными химическими реагентами и происходит выделение молибдена. В НИИАР используют щелочной метод, который более безопасен, чем кислотный, так как оставляет после себя меньше опасных жидких отходов.
Конечный продукт выглядит как бесцветная жидкость - раствор соли молибдата натрия.
фото ngs.ru
Флакончик с жидкостью помещают в специальный свинцовый контейнер и спецрейсом с ближайшего аэропорта Ульяновска отправляют потребителю.
Весь процесс проходит под контролем компьютерной системы. исключающей ошибку оператора и человеческий фактор, что очень важно при производстве Молибдена-99. Необходимо так же соблюдать и все требования техники безопасности.
К сожалению, описанный выше метод является крайне "грязным" с точки зрения получения большого количества радиоактивных отходов, которые в дальнейшем практически не используются и нуждаются в захоронении. Ситуация усугубляется еще и тем, что отходы эти жидкие - их сложнее всего хранить и утилизировать. К слову сказать, в отходы попадает 97% исходной загрузки урана в мишень! Чисто теоретически, высокообогащённый уран из отходов может быть извлечён для дальнейшего использования, но практически этого никто не делает.
Проблемы
До недавних пор в мире было лишь 3 основных производителей Молибдена-99, и на них приходилось 95% всех поставок. Димитровградский НИИАР покрывал лишь до 5% потребности в этом изотопе. Самыми мощными игроками этой отрасли были Канада (40%), Нидерланды+Бельгия (45%) и ЮАР (10%). Однако у самого крупного поставщика Канады возникли проблемы с основным реактором-наработчиком, и ниша внезапно освободилась. "Росатоме" увидел в этом шанс занять ее в течение короткого срока.
Дефицит Молибдена-99 на мировом рынке сейчас превышает 30% при средних потребностях до 12 000 кюри в неделю (эту продукцию измеряют не в граммах, а в единицах активности материалов). А цены на это вещество доходят до $1500 за кюри.
Однако, при таких объёмах производства молибдена-99 встаёт вопрос о пропорциональном увеличении количества радиоактивных отходов, которые нужно где-то хранить. К сожалению, единственным способом захоронить жидкие отходы в НИИАР до сих пор остаётся закачка их под давлением на глубину 1300 метров. Это очень опасно, учитывая нахождение площадки хранилища на пересечении тектонических разломов (по исследованиям "ЦНИИгеолнеруда"). На сегодня это самый больной вопрос, для которого пока нет решения: под землей рядом с Димитровградом уже образовалось небольшое море радиоактивных отходов, которые теоретически могут попасть в Волгу.
Строительство нового многоцелевого реактора на быстрых нейтронах в НИИАР
По хорошему, жидкие отходы необходимо переводить в твёрдые путем цементирования и хранить их уже в специальных контейнерах. В 2015 году в НИИАР был построен новый пункт хранения твёрдых отходов на 8000 кубометров, с технологическими участками сортировки, переработки и кондиционирования.
фото niiar.ru
На протяжении более двух десятков лет МАГАТЭ выказывают крайнее недовольство технологией использования высокообогащённого урана в производстве молибдена-99. Но технология, используемая в НИИАР рассчитана именно на этот способ. Со временем димитровградский НИИ планирует переходить на работу с низкообогащённым ураном. Но это вопрос будущего, а пока самым сложным вопросом при производстве Молибдена остаётся утилизация радиоактивных отходов.
А их много и все они чрезвычайно опасны для окружающей среды и населения. Взять, к примеру изотопы стронция и йода, которые запросто могут попасть в атмосферу и разнестись на сотни километров вокруг. Для региона, где у населения наблюдается природный дефицит йода, это особенно опасно. Организм забирает из среды необходимый йод, включая и радиоактивный, что и приводит к печальным последствиям для здоровья. Но, как утверждают в НИИАР, их технологический процесс обладает очень высокой защищённостью от выбросов йода в атмосферу.
источник фото
Сапожник без сапог
Каждый год в всем мире выполняют более 30 млн. лечебных процедур с применением радионуклидов. Однако в самой России, претендующей на роль основного поставщика Молибдена-99, потребность в этом изотопе минимальна. Более 70% всех произведённых в России радиоактивных изотопов уходит на экспорт. У онкологических больных в России шанс получить современное и своевременное лечение, не превышает 10% по причине банальной нехватки специализированных диагностических центров. В стране работают всего семь таких центров. Но нужно, чтобы их было не менее 140. Получается, что новейшие технологии с использованием изотопов в России зачастую просто негде применять.
Для сравнения, В США действует свыше 2000 центров ядерной медицины. В других развитых странах один такой центр приходится на каждые 500 тыс. человек населения. Ничего удивительного, что, по данным ВОЗ, пятилетняя выживаемость онкологических больных в США составляет 62%, во Франции - 58%, в России эта цифра не достигает и 43%.
Из этого и складывается не очень радостная картина: кому-то вершки, а нам - корешки.
Автор: Алексей Мараховец.
Оригинал статьи
* * * Предыдущие части серии:
Где и как делают самый дорогой металл в мире
Батарейка для ядерного реактора: как делают твэлы
Технеций и молибден
Это вещество - Молибден-99, с помощью которого сегодня проводится около 70% диагностических процедур в области онкологии, 50% - в кардиологии и около 90% - в радионуклидной диагностике. В силу сложности и дороговизны его получения, он широко доступен лишь в немногих развитых странах. Но как же Молибден-99 помогает в диагностике?
источник фото
На самом деле всё не так просто. Молибден-99 - не конечный продукт, который используется в ядерной медицине. Её рабочей лошадкой является другой радиоактивный металл - Технеций-99.
Запутались? Попробую объяснить.
Большинство искусственно получаемых изотопов (разновидностей одного и того же химического элемента) весьма нестабильны и быстро распадаются за счет радиоактивного излучения. Время, через которое от изначального количества вещества остаётся ровно половина (на самом деле измерения делают по величине активности в Кюри, но для простоты будем считать массу), называют периодом полураспада. К примеру, один грамм того самого дорогущего Калифорния-252 через 2,5 года превращается в половину грамма, а самый новый и последний полученный 118-й элемент таблицы Менделеева Унуноктий-294 уменьшается вдвое вообще за 1 мс. Период полураспада нашего мегаполезного изотопа Технеция-99 - всего 6 часов. В этом и его плюс, и его минус.
Реакторный корпус в НИИАР
Излучение этого изотопа является довольно мягким, не затрагивающим соседние органы, при этом оно идеально подходит для регистрации специальной аппаратурой. Технеций способен накапливаться в поражённых опухолью органах или омертвевших участках сердечной мышцы, поэтому с помощью этого метода можно, например, выявить очаг инфаркта миокарда уже через 24 часа после его начала - проблемные места в организме просто подсветятся на снимке или экране. Через несколько часов после введения Технеций-99 превращается в более устойчивый изотоп и полностью выводится из организма без каких-либо последствий для здоровья. Однако, эти 6 часов одновременно являются и головной болью медиков, так как за такое короткое время его просто невозможно доставить в клинику с места производства.
НИИАР в Димитровграде
Единственный выход из этой ситуации - производить Технеций-99 на месте, прямо в диагностической клинике. Но как это сделать? Неужели нужно оборудовать каждую клинику ядерным реактором? К счастью, этого не потребовалось. Всё дело в том, что Технеций-99 можно сравнительно легко и без реактора получить из другого изотопа - Молибдена-99, период полураспада которого составляет уже 66 часов! А это уже более-менее адекватное время, за которое изотоп можно доставить в клинику из любой точки земного шара. Специалистам в клинике остаётся лишь превратить Молибден-99 в Технеций-99 с помощью специального генератора технеция
В генераторе происходит естественный распад Молибдена-99, одним из продуктов которого и является Технеций-99, который выделяют уже химическим путем - солевой раствор вымывает технеций, но оставляет на месте молибден. Подобная процедура может производиться несколько раз в день в течение недели, после чего требуется замена генератора на свежий. Эта необходимость связана с уменьшением активности Молибдена-99 вследствие его распада, а также с начинающимся загрязнением технеция молибденом. "Старый" генератор становится непригодным для медицинских нужд. Из-за короткого периода полураспада Молибдена-99 невозможно создавать запасы генераторов технеция. Требуются их регулярные поставки на еженедельной основе или в ещё более короткие сроки.
Таким образом, молибден-99 является своего рода родительским изотопом, который удобно транспортировать до конечного потребителя. Теперь мы подходим к самому главному - процессу получения Молибдена-99.
Как делают молибден-99
Молибден-99 можно получить только двумя способами и только в ядерном реакторе. Первый способ - это взять стабильный изотоп Молибден-98 и с помощью ядерной реакции захвата нейтрона превратить его в Молибден-99. Это наиболее "чистый" метод, который, однако, не позволяет получать коммерческие объёмы изотопа. Нужно отметить, что этот способ является перспективным и в настоящее время совершенствуется. Уже сегодня Япония собирается использовать этот метод для производства молибдена для собственных нужд.
Второй способ заключается в делении ядер высокообогащённого Урана-235 плотным потоком нейтронов. При "обстреле" урановой мишени нейтронами, она распадается на множество более лёгких элементов, одним из которых и является Молибден-99. Если вы уже читали первую часть этой серии статей, то наверняка должны помнить про уникальный в своем роде реактор СМ-3, который и генерирует тот самый плотный поток нейтронов - снарядов, разбивающих "малину" урана на несколько маленьких "ягодок".
Мишени могут быть различной формы - пластины, стержни и т.д. Они могу быть сделаны как из металлического урана, так и из его оксида или сплава с другим металлом (например, алюминием). Мишени в оболочках из алюминия или нержавеющей стали помещаются в активный канал реактора и выдерживаются там на протяжении определённого времени.
Реактор СМ-3 в НИИАР
После извлечения мишени из реактора, она охлаждается водой в течение половины суток и переносится в специальную "горячую" лабораторию, где из смеси продуктов деления урана химическим путём выделяют искомый Молибден-99, которого там окажется всего 6%. С этого момента запускается обратный отсчёт времени жизни нашего молибдена, за которой готов заплатить заказчик. Эту процедуру необходимо провести как можно быстрее, так как после облучения мишени каждый час теряется до 1% молибдена вследствие его распада.
В "горячей" камере, с помощью электромеханических манипуляторов, материал мишени с помощью щёлочи или кислоты превращается в жидкий раствор, из которого различными химическими реагентами и происходит выделение молибдена. В НИИАР используют щелочной метод, который более безопасен, чем кислотный, так как оставляет после себя меньше опасных жидких отходов.
Конечный продукт выглядит как бесцветная жидкость - раствор соли молибдата натрия.
фото ngs.ru
Флакончик с жидкостью помещают в специальный свинцовый контейнер и спецрейсом с ближайшего аэропорта Ульяновска отправляют потребителю.
Весь процесс проходит под контролем компьютерной системы. исключающей ошибку оператора и человеческий фактор, что очень важно при производстве Молибдена-99. Необходимо так же соблюдать и все требования техники безопасности.
К сожалению, описанный выше метод является крайне "грязным" с точки зрения получения большого количества радиоактивных отходов, которые в дальнейшем практически не используются и нуждаются в захоронении. Ситуация усугубляется еще и тем, что отходы эти жидкие - их сложнее всего хранить и утилизировать. К слову сказать, в отходы попадает 97% исходной загрузки урана в мишень! Чисто теоретически, высокообогащённый уран из отходов может быть извлечён для дальнейшего использования, но практически этого никто не делает.
Проблемы
До недавних пор в мире было лишь 3 основных производителей Молибдена-99, и на них приходилось 95% всех поставок. Димитровградский НИИАР покрывал лишь до 5% потребности в этом изотопе. Самыми мощными игроками этой отрасли были Канада (40%), Нидерланды+Бельгия (45%) и ЮАР (10%). Однако у самого крупного поставщика Канады возникли проблемы с основным реактором-наработчиком, и ниша внезапно освободилась. "Росатоме" увидел в этом шанс занять ее в течение короткого срока.
Дефицит Молибдена-99 на мировом рынке сейчас превышает 30% при средних потребностях до 12 000 кюри в неделю (эту продукцию измеряют не в граммах, а в единицах активности материалов). А цены на это вещество доходят до $1500 за кюри.
Однако, при таких объёмах производства молибдена-99 встаёт вопрос о пропорциональном увеличении количества радиоактивных отходов, которые нужно где-то хранить. К сожалению, единственным способом захоронить жидкие отходы в НИИАР до сих пор остаётся закачка их под давлением на глубину 1300 метров. Это очень опасно, учитывая нахождение площадки хранилища на пересечении тектонических разломов (по исследованиям "ЦНИИгеолнеруда"). На сегодня это самый больной вопрос, для которого пока нет решения: под землей рядом с Димитровградом уже образовалось небольшое море радиоактивных отходов, которые теоретически могут попасть в Волгу.
Строительство нового многоцелевого реактора на быстрых нейтронах в НИИАР
По хорошему, жидкие отходы необходимо переводить в твёрдые путем цементирования и хранить их уже в специальных контейнерах. В 2015 году в НИИАР был построен новый пункт хранения твёрдых отходов на 8000 кубометров, с технологическими участками сортировки, переработки и кондиционирования.
фото niiar.ru
На протяжении более двух десятков лет МАГАТЭ выказывают крайнее недовольство технологией использования высокообогащённого урана в производстве молибдена-99. Но технология, используемая в НИИАР рассчитана именно на этот способ. Со временем димитровградский НИИ планирует переходить на работу с низкообогащённым ураном. Но это вопрос будущего, а пока самым сложным вопросом при производстве Молибдена остаётся утилизация радиоактивных отходов.
А их много и все они чрезвычайно опасны для окружающей среды и населения. Взять, к примеру изотопы стронция и йода, которые запросто могут попасть в атмосферу и разнестись на сотни километров вокруг. Для региона, где у населения наблюдается природный дефицит йода, это особенно опасно. Организм забирает из среды необходимый йод, включая и радиоактивный, что и приводит к печальным последствиям для здоровья. Но, как утверждают в НИИАР, их технологический процесс обладает очень высокой защищённостью от выбросов йода в атмосферу.
источник фото
Сапожник без сапог
Каждый год в всем мире выполняют более 30 млн. лечебных процедур с применением радионуклидов. Однако в самой России, претендующей на роль основного поставщика Молибдена-99, потребность в этом изотопе минимальна. Более 70% всех произведённых в России радиоактивных изотопов уходит на экспорт. У онкологических больных в России шанс получить современное и своевременное лечение, не превышает 10% по причине банальной нехватки специализированных диагностических центров. В стране работают всего семь таких центров. Но нужно, чтобы их было не менее 140. Получается, что новейшие технологии с использованием изотопов в России зачастую просто негде применять.
Для сравнения, В США действует свыше 2000 центров ядерной медицины. В других развитых странах один такой центр приходится на каждые 500 тыс. человек населения. Ничего удивительного, что, по данным ВОЗ, пятилетняя выживаемость онкологических больных в США составляет 62%, во Франции - 58%, в России эта цифра не достигает и 43%.
Из этого и складывается не очень радостная картина: кому-то вершки, а нам - корешки.
Автор: Алексей Мараховец.
Оригинал статьи
* * * Предыдущие части серии:
Где и как делают самый дорогой металл в мире
Батарейка для ядерного реактора: как делают твэлы