Боцманок Брач Владислав Альбертович: другие произведения.

Медицинский реактор.

Журнал "Самиздат": [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь]
Peклaмa:
Конкурс "Мир боевых искусств. Wuxia" Переводы на Amazon!
Конкурсы романов на Author.Today
Конкурс Наследница на ПродаМан

Устали от серых будней?
[Создай аудиокнигу за 15 минут]
Диктор озвучит книги за 42 рубля
Peклaмa
 Ваша оценка:
  • Аннотация:
    А мы не только трубки чёрта раскуриваем!


   Медицинский реактор. Простое решение проблемы.
   Нейтронная терапия онкологических заболеваний предъявляет специфические
   требования к физическим параметрам пучков нейтронов (см. табл. 1). В настоящее
   время для нейтронной терапии используют многоцелевые исследовательские
   реакторы, приспосабливая к их возможностям медицинские пучки нейтронов.
   Представляется целесообразным создание специализированного медицинского псевдо реактора с пучком нейтронов заданных параметров как специального медицинского
   инструмента, расположенного непосредственно в клинике.
   Требования к специализированной реакторной установке достаточно очевидны:
   дешевизна, внутренняя безопасность и отсутствие возможности использования
   делящегося материала в качестве сырья для ядерного оружия.
   Эти требования реализуются при условии, если мощность реактора W и масса
   топлива m минимальны, а поток нейтронов F, требуемых параметров, максимальный,
   т.е. конструкция реактора и топливо должны быть такими, чтобы отношение
   F/W было наибольшим.
   Реактор должен работать в старт стопном режиме. Две основные функции
   установки - выдавать пучок нейтронов заданных параметров и производить радиоактивные препараты для целей диагностики. Желательно иметь минимальный дополнительный эксплутационный персонал.
   Для иллюстрации требований к характеристикам медицинских пучков рассмотрим
   один из вариантов нейтронной терапии - нейтронозахватный. Не вдаваясь в
   медицинские подробности методов лечения, отметим сам принцип. В ткань опухоли
   вводится фармацевтический препарат, содержащий изотоп B10, который имеет высокое
   сечение поглощения нейтронов, затем опухоль облучается нейтронами. При поглощении
   нейтрона в реакции (n,?) образуются две короткопробежные альфа частицы, и энергия, выделяемая в реакции, поглощается, локально воздействуя на опухолевую ткань.
   Оптимальная энергия нейтронов для нейтронозахватной терапии лежит в интервале от 1 до
   10^4 эВ. При таких энергиях нейтронов нет чрезмерного облучения кожных покровов,
   что неизбежно в случае тепловых нейтронов. Кроме того, значительная часть нейтронов, диффундируя в район опухоли, успевает замедлиться и с большой вероятностью вступает
   в реакцию (n,?).
   Желательно иметь малую долю быстрых нейтронов. Доза, создаваемая быстрыми нейтронами в результате упругого рассеяния на ядрах водорода, является фоновой и реализуется в здоровых тканях. Интенсивность пучка нейтронов в выбранном интервале энергий должна быть не менее 10^9 н/см^2 * с, с тем, чтобы время облучения пациента не превышало 1 часа.
   Таблица 1
   Основные требования к медицинскому реактору как нейтронному источнику для нейтрон - захватной терапии
   N# Название Значение
   1. Плотность потока эпитепловых нейтронов F, н/(см^2*сек) >1*10^9
   2. Доза быстрых нейтронов на эпитепловой нейтрон Гр*см^2/н <2*10^(-13)
   3. Доза гамма - излучения на эпитепловой нейтрон Гр*см^2/н <2*10^(-13)
   4. Отношение тока к потоку J/F > 0,7
  
   Конструкции фильтра и коллиматора пучка нейтронов должны обеспечить минимально возможную дозу гамма - излучения и дозу, создаваемую быстрыми нейтронами. Основные требования к пучку нейронов реакторной установки, выработанные медицинским сообществом, представлены в табл.1.
   Во многих современных клиниках и онкологических центрах используются в лечебном процессе современные линейные ускорители электронов. Это компактные (ускорение происходит на стоячей волне),надёжные устройства, обладающие достаточно силой
   тока при ускорении на энергию 20 - 40 МэВ. Пример: ЛУЭВ 20М производства НИИЭФА.
   Предлагаемый реактор будет состоять из основных трёх частей:
   ускоритель электронов;
   комбинированная мишень, производящая нейтроны;
   подкритическая сборка на природном уране с коллиматором и фильтром.
  
   Физическая суть предлагаемого явления состоит в следующем: Поток разогнанных до энергии 20 МэВ электронов тормозится в комбинированной мишени с наличием природного урана, создаёт тормозное гамма - излучение с непрерывным спектром начиная с 20 МэВ и возрастанием интенсивности в области более низких энергий. Фотоядерная реакция гамма излучения происходит с ураном 238 и создаёт поток нейтронов со сгущением в области Гигантского резонанса энергией. Электроны, попадая в мишень, часть своей энергии тратят на генерирование гамма и рентгеновского спектра излучения, часть на ионизацию. Отношение энергии идущей на рентген к энергии на ионизацию, равно X=Z*E/800.
В случае урана и 20
- МэВ ных электронов X = 92*20/800 = 2,3 ,то есть на гамма и рентген излучение идет 69% мощности потока ускоренных электронов, попавших в мишень. При энергии электрона от единиц до десятков МэВ пробег его в мишени из тяжелых атомов (уран, свинец, вольфрам) порядка миллиметров, а пробег гамма - кванта тормозного излучения той же энергии порядка сантиметров. Поэтому, при попадании электронов на тонкую мишень из тяжелых атомов, образуется тормозной гамма и рентгеновский спектр с граничной энергией определяемой равенством энергий гамма - кванта и электрона. Для изотопа урана 238 фотоны с энергией выше энергии связи 7,4 МэВ вступают в реакции (gamma,n) ,а в случае превышения порога деления 7 МэВ и в реакции фотоделения. В качестве мишени можно использовать просто слой урана, или тонкий (1 мм) слой вольфрама плюс толстый слой бериллия. Реакция Be9(gamma,n)He4+He4+n,порог- 1,67 Mev.
Преимущество вольфрам - бериллиевой мишени в том, что при выключении потока бомбардирующих электронов в мишени почти нет наведенной радиоактивности и ее можно перебирать вручную без особых предосторожностей.
Преимущество урановой - в более высоком выходе нейтронов. Выход нейтронов в реакции (gamma,n) быстро растет с увеличением энергии электронов.
   У урана 238 максимум Гигантского резонанса около 13 МэВ и шириной 6 МэВ = +/- 3Мэв. При этой энергии гамма - квантов сечение реакции (gamma,n) максимально и равно 1800 милибарн. На первых 4 МэВ (20-16 МэВ) стабилизируется уровень интенсивности тормозного гамма-излучения. Гигантский резонанс выражается резким увеличением сечения реакции (gamma,n) от энергии гамма- квантов и, как следствие, сгущением выхода нейтронов в его зоне. Энергии этих нейтронов меньше энергии инициирующих гамма - квантов, как минимум, на энергию связи - 7,4 МэВ. В области Гигантского резонанса (ГР) урана 238 наблюдается сгущение потока нейтронов с энергиями от 8,6 до 2,6 МэВ. Однако спад по краям не такой резкий, как у ГР других элементов. Необходимо попытаться использовать часть спектра гамма - квантов ниже порога деления урана 238 -7,4 МэВ, где велика их интенсивность. На эту зону приходится порядка 30% энергии тормозного излучения. Для этого используем бериллий. В мишени, перед зоной основных фотоядерных реакций, надо расположить слой бериллия, в котором пойдёт фотоядерная реакция образования нейтрона с порогом 1,67 МэВ и реакция (n,2n) с порогом 2 МэВ. Толщина слоя бериллия не должна препятствовать проникновения гамма- квантов с энергией выше 7,4 МэВ в урановую часть мишени.
   Предлагается использование ускорителя электронов с описанными выше мишенями для активизации процесса деления в подкритических водяных сборках на природном уране. Подобные сборки работают на тепловых нейтронах. И задача заключается в увеличении плотности потока нейтронов. В нижней части Гигантского резонанса для урана 238 энергия фото - нейтронов порядка 2,6 Мев близка к среднестатистической энергии в реакторе на медленных нейтронах. Следовательно вполне хватит ускорителя на 20 МэВ.
   Иллюстрацией сказанного может быть получение подкритического реактора на природном уране.
   Возьмём 100-литровую подкритическую сборку из стержней природного урана 1- сантиметровой толщины и обычной воды в качестве замедлителя и отражателя. Отношение концентрации воды к концентрации урана 1,4. Это довольно простая и недорогая экспериментальная установка. Сборка цилиндрическая, h/D=0,924, где h<=48 см - высота, D<=52см - диаметр.
   Параметры такой сборки: k=0,98 и t=6,7*10^(-5235) сек при коэффициенте сохранения от утечки быстрых нейтронов L=0,7.
   То есть сборка подкритичная, и самоподдерживающейся цепной реакции нет(K<1). Полное число нейтронов в активной зоне вычисляется по формуле n=S*L*t/[1-k]. Положим для определённости в качестве внешнего источник нейтронов 10^8 нейтронов в секунду. Поток источника S=10^8 нейтронов в секунду может быть обеспечен набором обычным радий - бериллиевых источников или Po210-бериллиевым источником. Тогда полное число нейтронов в активной зоне равно
N = (10^8)*(0,7)*(6,7*10^-5)/0,02 = 2,35*10^5
Средняя скорость нейтронов по распределению Максвелла при комнатной температуре есть
v=(2,2*10^5)*(1,128) = 2,48*10^5 см/сек. Volume - объём активной зоны. Поэтому поток нейтронов равен
F = (N/Volume)*v = (2,35*10^5)*(2,48*10^5)/10^5 = 5,83*10^5 {1/[(cм^2)*сек]}
Полная скорость генерации быстрых нейтронов равна (10^8)/0,02 = 5*10^9 нейтронов в секунду.
   Соотношение для отношения общего потока нейтронов в сборки к потоку источника, равно отношению тепловой мощности сборки к тепловой мощности источника при условии одинакового механизма производства нейтронов в сборке и в источнике, выводится как сумма бесконечно убывающей геометрической прогрессии:
Суммарное N (общее) = S*[1 + k + (k^2) + (k^3) + (k^4) + ...+ (k^{n
-> infinity})] = S/[1-k].
   На 1 джоуль энергии деления в 1 секунду испускается
   2,46*[1/{(200*10^6)*1,6*10^-19}]=(3,3*10^10)*2,46=8,1*10^10 нейтронов.
Эквивалентная мощность сборки составляет (5*10^9)/(8,1*10^10)=
0,062 ватта.
   Описанная подкритическая сборка работает на медленных нейтронах. Актуальна задача увеличения плотности потока нейтронов. В нижней части гигантского резонанса для урана 238 энергия нейтронов порядка 2,6 Мев - близка к среднестатистической энергии в реакторе на медленных нейтронах. Следовательно, необходимо увеличить производительность источника нейтронов - мишени. Положим выход нейтронов с уран - бериллий - урановой мишени к входу электронов 1:20. Для ускорителя с мощностью электронного тока 600 ватт выход нейтронов 0,936*10^13 нейтронов в секунду, N = 2.2*10^10, Поток нейтронов F = 5.46*10^10 {1/[(cм^2)*сек]}. эквивалентная мощность сборки составляет = 5805 ватта.
   Выход плутония = 0,2 кг в год при непрерывной работе.
   Очевидно, что главная деталь предлагаемого устройства - мишень ускорителя ,генерирующая нейтроны. В простейшей версии это мишень из вольфрама + бериллия, накрытая слоем природного урана. В бериллиевой мишени реализуется генерация нейтронов из мягкой части спектра тормозного излучения с энергией от 7,4 до 1,67 МэВ. В урановом слое происходят фотоядерные реакции с выходом нейтронов на ядрах в уране 238 и 235.Реакции деления урана 235 и урана 238 фотонейтронами, в том числе и из слоя бериллия, дают дополнительный выход нейтронов. Энергия нейтронов от 0 до 12,6 МэВ. Более продвинутая бустерная мишень: после слоя бериллия идёт слой высокообогащённого урана - первый бустер, после слоя природного урана второй слой высоко обогащённого урана-второй бустер. С подобной мишенью можно достигнуть выхода нейтронов по отношению к электронам 1:1 и выше за счёт реакции деления урана 235.В этом случае важна не энергия нейтронов, а их количество. Соответственно возрастёт мощность сборки и поток нейтронов.
   Конструкция сборки представляет собой ёмкость на стойках с колёсами, под которую подаётся сборный коллиматор и фильтр и тележка с больным, или тележка с облучаемыми веществами. Во внерабочее время урановую сборку вместе с мишенью можно закатывать в
   Защитный специальный бокс. Для нейтронозахватной терапии понадобится модератор нейтронов. Подобная разработка есть в Обнинске у организации, разрабатывавшей амерециевый медицинский реактор МАРС. В Интернете есть соответствующие материалы.
  
  
  

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
   1
  
  
  
  

 Ваша оценка:

Популярное на LitNet.com Д.Сугралинов "Дисгардиум 2. Инициал Спящих"(ЛитРПГ) К.Федоров "Имперское наследство. Вольный стрелок"(Боевая фантастика) А.Вильде "Эрион"(Постапокалипсис) K.Sveshnikov "Oммо. Начало"(Киберпанк) С.Панченко "Ветер"(Постапокалипсис) А.Григорьев "Биомусор 2"(Боевая фантастика) Д.Сугралинов "Дисгардиум 4. Священная война"(Боевое фэнтези) Д.Сугралинов "Дисгардиум 3. Чумной мор"(ЛитРПГ) В.Василенко "Статус D"(ЛитРПГ) В.Соколов "Мажор 2: Обезбашенный спецназ "(Боевик)
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
И.Мартин "Время.Ветер.Вода" А.Кейн, И.Саган "Дотянуться до престола" Э.Бланк "Атрионка.Сердце хамелеона" Д.Гельфер "Серые будни богов.Синтетические миры"

Как попасть в этoт список
Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"