后裝治療中涉及的與核燃料循環(huán)相關的部分技術

1、后裝治療中涉及的與核燃料循環(huán)相關的部分技術作者：李騰翔，南華大學核科學技術學院，學號201621010249摘要：利用核素進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)中的反應堆運行或乏燃料處理等環(huán)節(jié)。隨著中子在放療中劑量學優(yōu)勢的發(fā)現和研究，252Cf的制備和提取也成為了我國核燃料循環(huán)研究中一個較有價值的研究方向。關鍵詞：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，經治療計劃系統(tǒng)計算劑量分布，得到滿意結果后再啟動開關，將放射源自動送到施源器或針內進行放射治療。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，因而可提高腫瘤局部照射劑量，有效保護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。因為放射源是后來由機器自動放入的，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）在后裝治療中應用相對最廣泛，锎252（252Cf）也在使用，雖然中子存在輻射生物學的優(yōu)勢，不過中子的劑量學和輻射生物學效應還待進一步研究。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堆中輻照適當時間，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、核反應堆的放射性廢物、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，采用共沉淀法；共沉淀

4、法操作簡便，濃集效果好，但是凈化效果較差?？衫脽o機離子交換劑，比如磷鉬酸銨，對銫137具有選擇吸附作用，使銫和其他雜質分離，對銣、鉀特別是鉀的凈化效果較好。圖2.2 137Cs衰變綱圖銥192（192Ir）：191Ir中子輻照產生，自然界191Ir豐度為37.4%；另有天然同位素193Ir，經中子輻照產生194Ir，但半衰期短，經過適當冷卻衰變掉。圖2.3 192Ir衰變綱圖锎252（252Cf）：合成和生產方法有三種： 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)化生產锎252 源的方式。高通量中子輻照鋦（Curium）靶來生產锎252。圖2.4

5、 252Cf衰變綱圖2.2、銫137（137Cs）的應用和局限早期，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。做為核裂變方應中重要產物之一，乏燃料是提取放射性銫（主要是長壽命的137Cs）的重要原料，裂變產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，提取的過程較為復雜，對防護和凈化要求高，且難獲得純度高的銫137（137Cs），但是這種方法具有產量高和成本低等優(yōu)點。銫137在環(huán)境和生物樣品中的分析測定已成為環(huán)境放射性檢測中的重要項目。137Cs放射源的應用非常廣泛，幾乎遍及各行各業(yè)；在農業(yè)上：常用于輻射育

6、種、刺激增產、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、密度的測定和在線自動控制等；在醫(yī)學上：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雖然治愈率很高，但是雙重損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；而主要用作術前半劑量照射結合根治手術。雖然這是此類疾病應用后裝治療裝置治療都可能產生的影響，但是銫137的能量特性使得這些輻射損傷更加嚴重。表3-1 137Cs衰變能級

7、銫137（137Cs）半衰期較長，放射源生產廠家的效益性相比其他源不高，相比較較短壽命的源，報廢源處理復雜。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，當射線通過人體組織時，中子線以其本身粒子的快速動能和人體組織的原子相互作用，尤其在射線通過的軌跡上發(fā)生電離現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發(fā)生一系列的物理、化學、生物學變化，主要表現為射線對人體細胞的物理過程產生電離和激發(fā)，引發(fā)一系列化學變化，對細胞產生單擊殺傷效應，其生存曲線成指數下降，最終導致生物學的改變中子射線對人體細胞的作用分成直接作用和間接作用兩個部分：中子進

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程，快中子能量的85%95%都是在彈性散射時交給反沖質子的，252Cf中子治療時90%以上的劑量即由此引起。中子穿過物質時能量降低變成熱中子，熱中子可被氫原子核俘獲，產生激發(fā)態(tài)的氘核，回到基態(tài)時放出2.2MeV光子，體內深層組織的劑量主要來自這種相互作用。中子碰撞時產生的反沖核做同速運動，引起染色體脫氧核糖核酸中和細胞膜中的原子電離和激發(fā)，使染色體脫氧核糖核酸化學鍵斷裂或細胞膜破壞，從而破壞了細胞的正常功能和代謝作用，直接導致細胞的死亡，此種直接導致癌細胞死亡的成因，具有其他射線無法比擬的優(yōu)勢；中子在通過組織的徑跡上與細胞內的水分子相互作用，引起

9、水的輻射分解，產生大量活潑的自由基，自由基可與另一個水分子發(fā)生反應而形成具有高度活性的氫氧自由基。氫氧自由基彌散到DNA靶點上，引起DNA分子的損傷，這樣也能間接導致細胞的死亡。研究結果表明，不同生物學指標在混合照射時的劑量與效應的依賴關系，和射線照射時的規(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重，并且中子比例越高損傷效應越重。中子對癌細胞的殺傷作用就是基于上述的直接和間接作用，這是近20年來中子在腫瘤放射治療中逐漸崛起的原因，也是理論促進實踐的又一證明。中子射線在放射生物學方面的優(yōu)勢表現在四個方面：相對生物效應（RBE）高，氧增強比（OER）低，潛在致死性損傷（PLD）和

10、亞致死損傷修復少，細胞周期效應不明顯。4、锎252的生產供應分析锎252雖然有廣泛的應用， 但是其制備和生產工藝造價高、 運行費用昂貴， 產出很低。其合成和生產方法有三種：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)化運行生產锎-252源的方式。目前僅有兩個國家的實驗室具備利用高通量輻照鋦（curium）靶來生產锎-252放射性同位素的能力。一個是美國的橡樹嶺國家實驗室， 另一個是位于俄羅斯季米特洛夫格勒（Dimitrovgrad）的聯(lián)邦原子反應堆科學研究院（RIAR）。其中美國生產的锎-252占世界總產量的70%，除了

11、滿足國內應用研究的需要之外，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，再銷往不同國家。中國原子能科學研究院現有中國先進研究堆以其高性能指標居于世界前列，但由于其通量值的限制，還不具備生產锎252的能力。我國中子科學、燃料材料及同位素產品生產能力建設依然任重而道遠，因此，建立屬于我們自己的锎252生產能力，實現自主生產是中國應該選擇的改變現狀的長遠大計。參考文獻I.半量_137_銫腔內照射治療宮頸癌的療效觀察_章桂紅，蘭州醫(yī)學院學報1985年第一期；II.高劑量率_137_銫后裝機治療_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物中銫_137的補充研究_孫亦樑，原子能科學技術1966年第1期；IV.銥192和锎252后裝治療放射源研究與臨床應用_楊曉霞，解放軍醫(yī)學雜志 2005年11月第 30卷第11期；V.锎_252中子源世界供應市場分析_侯燕妮，中國核工業(yè)行業(yè)觀察；VI.國產遙控Co_60_后裝治療機治療子宮頸癌的近期療效_蘆士霞，安徽醫(yī)科大學學報 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