后裝治療中涉及的與核燃料循環(huán)相關(guān)的部分技術(shù)

1、后裝治療中涉及的與核燃料循環(huán)相關(guān)的部分技術(shù)作者：李騰翔，南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，學(xué)號(hào)201621010249摘要：利用核素進(jìn)行的后裝治療做為腫瘤放射治療中重要的方法之一，在腫瘤治療中獲得了深入研究和廣泛應(yīng)用，并且不斷發(fā)展新的治療方式。后裝治療裝置使用的核素的獲得涉及核燃料循環(huán)中的反應(yīng)堆運(yùn)行或乏燃料處理等環(huán)節(jié)。隨著中子在放療中劑量學(xué)優(yōu)勢(shì)的發(fā)現(xiàn)和研究，252Cf的制備和提取也成為了我國(guó)核燃料循環(huán)研究中一個(gè)較有價(jià)值的研究方向。關(guān)鍵詞：后裝治療，核素，中子治療，锎252（252Cf）制備和提取正文：1、后裝治療是放射治療的一種方法后裝治療是腫瘤放射治療的一種方法。在實(shí)際操作中先把放射治療的施源器放置在

2、合適的位置或把施源針插植到合適的部位，然后拍片確認(rèn)，經(jīng)治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算劑量分布，得到滿意結(jié)果后再啟動(dòng)開關(guān)，將放射源自動(dòng)送到施源器或針內(nèi)進(jìn)行放射治療。后裝治療屬于近距離放療，具有治療距離短，源周局部劑量很高，周邊劑量迅速跌落的特點(diǎn)，因而可提高腫瘤局部照射劑量，有效保護(hù)周邊正常組織和重要器官，而且治療部位的功能保持也比單純外照射好。因?yàn)榉派湓词呛髞?lái)由機(jī)器自動(dòng)放入的，工作人員隔室操作，避免了工作人員的放射損傷。圖1.1 后裝治療裝置示例2、放療中使用的核素放射治療開始的早期，鈷60（60Co）、銫137（137Cs）、碘125（125I）、銥192（192Ir）這些就開始使用，1990s前后锎252

3、（252Cf）也投入使用。鈷60（60Co）、銥192（192Ir）在后裝治療中應(yīng)用相對(duì)最廣泛，锎252（252Cf）也在使用，雖然中子存在輻射生物學(xué)的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)中子的劑量學(xué)和輻射生物學(xué)效應(yīng)還待進(jìn)一步研究。2.1、核素制備的部分方法鈷60（60Co）：鈷(59Co的豐度為100)或含鈷的其他材料制成靶，在高中子注量率反應(yīng)堆中輻照適當(dāng)時(shí)間，即可獲得比活度高的鈷60（60Co）。圖2.1 60Co衰變綱圖銫137（137Cs）：核試驗(yàn)、核反應(yīng)堆的放射性廢物、核燃料后處理廠的放射性廢液。為了分離和濃縮銫137（137Cs），可用穩(wěn)定的銫做為載體，利用銫能生成多種難溶性鹽類的特點(diǎn)，采用共沉淀法；共沉淀

4、法操作簡(jiǎn)便，濃集效果好，但是凈化效果較差?？衫脽o(wú)機(jī)離子交換劑，比如磷鉬酸銨，對(duì)銫137具有選擇吸附作用，使銫和其他雜質(zhì)分離，對(duì)銣、鉀特別是鉀的凈化效果較好。圖2.2 137Cs衰變綱圖銥192（192Ir）：191Ir中子輻照產(chǎn)生，自然界191Ir豐度為37.4%；另有天然同位素193Ir，經(jīng)中子輻照產(chǎn)生194Ir，但半衰期短，經(jīng)過(guò)適當(dāng)冷卻衰變掉。圖2.3 192Ir衰變綱圖锎252（252Cf）：合成和生產(chǎn)方法有三種： 加速器合成、地下熱核爆炸、高通量堆照射；其中高通量堆照射是最穩(wěn)定和高效的，也是唯一可商業(yè)化生產(chǎn)锎252 源的方式。高通量中子輻照鋦（Curium）靶來(lái)生產(chǎn)锎252。圖2.4

5、 252Cf衰變綱圖2.2、銫137（137Cs）的應(yīng)用和局限早期，銫137是放射治療中使用的主要核素之一，銫137是核裂變的重要產(chǎn)物之一，屬中毒性放射性核素，既可以做為放射源，也可以做為源。做為核裂變方應(yīng)中重要產(chǎn)物之一，乏燃料是提取放射性銫（主要是長(zhǎng)壽命的137Cs）的重要原料，裂變產(chǎn)物中絕大部分核素都集中在后處理廠的高放廢液和廢氣中，提取的過(guò)程較為復(fù)雜，對(duì)防護(hù)和凈化要求高，且難獲得純度高的銫137（137Cs），但是這種方法具有產(chǎn)量高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。銫137在環(huán)境和生物樣品中的分析測(cè)定已成為環(huán)境放射性檢測(cè)中的重要項(xiàng)目。137Cs放射源的應(yīng)用非常廣泛，幾乎遍及各行各業(yè)；在農(nóng)業(yè)上：常用于輻射育

6、種、刺激增產(chǎn)、輻射防治蟲害和食品輻照保藏與保鮮等；在工業(yè)上：常用于無(wú)損探傷、輻射消毒、輻射加工、輻射處理廢物，以及用于厚度、密度的測(cè)定和在線自動(dòng)控制等；在醫(yī)學(xué)上：常用于癌和腫瘤的放射治療。但是作為放射治療用源，銫137（137Cs）并不是最好。銫137（137Cs）治療的局限性：例如在宮頸癌治療中使用全劑量放療加根治手術(shù)雖然治愈率很高，但是雙重?fù)p傷所造成的瘺管損傷，使得這種治療方式有很大的局限性，而其中瘺管損傷完全屬于放射損傷；而主要用作術(shù)前半劑量照射結(jié)合根治手術(shù)。雖然這是此類疾病應(yīng)用后裝治療裝置治療都可能產(chǎn)生的影響，但是銫137的能量特性使得這些輻射損傷更加嚴(yán)重。表3-1 137Cs衰變能級(jí)

7、銫137（137Cs）半衰期較長(zhǎng)，放射源生產(chǎn)廠家的效益性相比其他源不高，相比較較短壽命的源，報(bào)廢源處理復(fù)雜。3、 中子治療的發(fā)展252 Cf后裝源主要發(fā)射中子線，它屬于高傳能線密度輻射線，當(dāng)射線通過(guò)人體組織時(shí)，中子線以其本身粒子的快速動(dòng)能和人體組織的原子相互作用，尤其在射線通過(guò)的軌跡上發(fā)生電離現(xiàn)象而傳遞電離輻射的部分或全部能量；這樣，人體組織吸收電離輻射的能量后會(huì)發(fā)生一系列的物理、化學(xué)、生物學(xué)變化，主要表現(xiàn)為射線對(duì)人體細(xì)胞的物理過(guò)程產(chǎn)生電離和激發(fā)，引發(fā)一系列化學(xué)變化，對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生單擊殺傷效應(yīng)，其生存曲線成指數(shù)下降，最終導(dǎo)致生物學(xué)的改變中子射線對(duì)人體細(xì)胞的作用分成直接作用和間接作用兩個(gè)部分：中子進(jìn)

8、入人體后主要發(fā)生中子與氫原子核的彈性散射和俘獲過(guò)程，快中子能量的85%95%都是在彈性散射時(shí)交給反沖質(zhì)子的，252Cf中子治療時(shí)90%以上的劑量即由此引起。中子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)能量降低變成熱中子，熱中子可被氫原子核俘獲，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的氘核，回到基態(tài)時(shí)放出2.2MeV光子，體內(nèi)深層組織的劑量主要來(lái)自這種相互作用。中子碰撞時(shí)產(chǎn)生的反沖核做同速運(yùn)動(dòng)，引起染色體脫氧核糖核酸中和細(xì)胞膜中的原子電離和激發(fā)，使染色體脫氧核糖核酸化學(xué)鍵斷裂或細(xì)胞膜破壞，從而破壞了細(xì)胞的正常功能和代謝作用，直接導(dǎo)致細(xì)胞的死亡，此種直接導(dǎo)致癌細(xì)胞死亡的成因，具有其他射線無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)；中子在通過(guò)組織的徑跡上與細(xì)胞內(nèi)的水分子相互作用，引起

9、水的輻射分解，產(chǎn)生大量活潑的自由基，自由基可與另一個(gè)水分子發(fā)生反應(yīng)而形成具有高度活性的氫氧自由基。氫氧自由基彌散到DNA靶點(diǎn)上，引起DNA分子的損傷，這樣也能間接導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。研究結(jié)果表明，不同生物學(xué)指標(biāo)在混合照射時(shí)的劑量與效應(yīng)的依賴關(guān)系，和射線照射時(shí)的規(guī)律相似，但混合照射引起的輻射損傷比相同劑量射線的損傷更為嚴(yán)重，并且中子比例越高損傷效應(yīng)越重。中子對(duì)癌細(xì)胞的殺傷作用就是基于上述的直接和間接作用，這是近20年來(lái)中子在腫瘤放射治療中逐漸崛起的原因，也是理論促進(jìn)實(shí)踐的又一證明。中子射線在放射生物學(xué)方面的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在四個(gè)方面：相對(duì)生物效應(yīng)（RBE）高，氧增強(qiáng)比（OER）低，潛在致死性損傷（PLD）和

10、亞致死損傷修復(fù)少，細(xì)胞周期效應(yīng)不明顯。4、锎252的生產(chǎn)供應(yīng)分析锎252雖然有廣泛的應(yīng)用， 但是其制備和生產(chǎn)工藝造價(jià)高、 運(yùn)行費(fèi)用昂貴， 產(chǎn)出很低。其合成和生產(chǎn)方法有三種：一是加速器合成；二是地下熱核爆炸法合成； 三是高通量堆照射。其中高通量堆照射是最穩(wěn)定和高效的制備方式，也是唯一可以商業(yè)化運(yùn)行生產(chǎn)锎-252源的方式。目前僅有兩個(gè)國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室具備利用高通量輻照鋦（curium）靶來(lái)生產(chǎn)锎-252放射性同位素的能力。一個(gè)是美國(guó)的橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室， 另一個(gè)是位于俄羅斯季米特洛夫格勒（Dimitrovgrad）的聯(lián)邦原子反應(yīng)堆科學(xué)研究院（RIAR）。其中美國(guó)生產(chǎn)的锎-252占世界總產(chǎn)量的70%，除了

11、滿足國(guó)內(nèi)應(yīng)用研究的需要之外，還以氧化锎和氧化锎-鈀金屬陶瓷絲半成品的化學(xué)形式銷售給放射源制造廠商，由制造商加裝源殼制成不同形狀、規(guī)格的放射源，再銷往不同國(guó)家。中國(guó)原子能科學(xué)研究院現(xiàn)有中國(guó)先進(jìn)研究堆以其高性能指標(biāo)居于世界前列，但由于其通量值的限制，還不具備生產(chǎn)锎252的能力。我國(guó)中子科學(xué)、燃料材料及同位素產(chǎn)品生產(chǎn)能力建設(shè)依然任重而道遠(yuǎn)，因此，建立屬于我們自己的锎252生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)是中國(guó)應(yīng)該選擇的改變現(xiàn)狀的長(zhǎng)遠(yuǎn)大計(jì)。參考文獻(xiàn)I.半量_137_銫腔內(nèi)照射治療宮頸癌的療效觀察_章桂紅，蘭州醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)1985年第一期；II.高劑量率_137_銫后裝機(jī)治療_期宮頸癌療效觀察_要守靜，山西醫(yī)藥雜志 1996年第 25卷第 6期；III.四苯硼鈉萃取法快速分析裂變產(chǎn)物中銫_137的補(bǔ)充研究_孫亦樑，原子能科學(xué)技術(shù)1966年第1期；IV.銥192和锎252后裝治療放射源研究與臨床應(yīng)用_楊曉霞，解放軍醫(yī)學(xué)雜志 2005年11月第 30卷第11期；V.锎_252中子源世界供應(yīng)市場(chǎng)分析_侯燕妮，中國(guó)核工業(yè)行業(yè)觀察；VI.國(guó)產(chǎn)遙控Co_60_后裝治療機(jī)治療子宮頸癌的近期療效_蘆士霞，安徽醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào) 1995年第30卷第5期；VII.銥_192_高劑量率后裝加外照射治療宮頸