От реактора до потребителя: как устроено производство радиоактивных изотопов

В последние годы НИИАР, отметивший этой весной 65-летие, трансформировался из классического исследовательского института в научно-производственное объединение. Одно из основных бизнес-направлений — ​производство радиоактивных изотопов и изделий на их основе. Журналистка «Лаб. СР» побывала в институте и узнала, как это высокотехнологичное производство устроено.

Цепочка превращений начинается в реакторе. Предварительно подготовленные мишени, содержащие нерадиоактивные стартовые материалы, свои для каждого целевого нуклида, облучают в реакторе. В результате ядерных реакций из атомов стартовых материалов получаются атомы новых, целевых радиоактивных изотопов. В реакторном исследовательском комплексе НИИАР пять установок, и все они периодически или постоянно нарабатывают радиоизотопы. Прежде всего своим успехом на изотопном рынке институт обязан реактору СМ‑3. В его активной зоне самый мощный на планете поток нейтронов, который позволяет нарабатывать уникальные изотопы — берклий, калифорний, эйнштейний и т. д. Сегодня только НИИАР и Ок-Риджская национальная лаборатория в США могут производить их в коммерчески значимых количествах.

СМ всемогущий

В НИИАР получают около 30 изотопов, большую часть — в СМ‑3. Главное преимущество изотопов из СМ‑3 — высокая удельная активность, недостижимая при облучении в других реакторах. «Для медицины мы делаем йод‑125 — ​мягкий бета-излучатель для лечения рака простаты, — ​рассказывает Алексей Петелин, начальник реакторного исследовательского комплекса. — ​В НИИАР получают лучший йод‑125: наше уникальное облучательное устройство снабжено специальным фильтром, который полностью отделяет йод‑126, и получается абсолютно чистый изотоп». Недавно в СМ‑3 загрузили мишени для наработки берклия‑249, который будут использовать для синтеза новых химических элементов на фабрике сверхтяжелых элементов ОИЯИ.

На СМ‑3 получают самый дорогой в мире металл — ​калифорний‑252. Из него делают, например, пусковые источники нейтронов для запуска цепной реакции в ядерных реакторах новых блоков. «Спрос на калифорний непостоянный, но наработку ведем непрерывно. Ведь, чтобы получить далекие трансурановые элементы, надо несколько циклов облучения, — ​объясняет Алексей Петелин. — Не меньше семи лет работы, чтобы из стартового ​плутония‑238 ​сделать калифорний‑252».

Примиряющая модернизация

Высокая плотность потока нейтронов в экспериментальных каналах СМ‑3 обеспечивает возможность ускоренного высокодозного облучения. Поэтому материаловеды жаждут использовать реактор как исследовательскую установку. «Очень интересная работа началась в последнюю кампанию. Мы спроектировали и установили в один из каналов устройство для облучения материалов для перспективного жидкосолевого реактора, — ​рассказывает Алексей Петелин. — ​Образцы стоят именно в той соли со специфическими топливными добавками, в которой им предстоит работать в ЖСР. Также сейчас изучаем поведение оболочек твэлов из новых сплавов на основе циркония под облучением».

Но наука и бизнес на СМ‑3 — ​конкуренты. Количество каналов ограничено, и приходится выбирать, что ставить: исследовательскую сборку, которая даст ученым новые знания, или устройство для получения изотопов, которое обеспечит заказчиков продукцией, а институт — ​финансовыми ресурсами для развития. В прошлом году СМ‑3 прошел глубокую модернизацию, уже пятую в своей истории, которая позволила НИИАР нарастить производство изотопов не в ущерб научной программе.

Ученые нашли способ увеличить количество каналов со сверхвысокой плотностью потока нейтронов с 27 до 57. «Мы избавились от бериллия в центральной нейтронной ловушке и центрального компенсирующего органа. Измененная конструкция рабочих органов аварийной защиты позволила использовать их и как стержни регулирования, компенсирующие реактивность. Стержни АЗ стали стержнями АЗ-КО, — ​объясняет Алексей Петелин. — ​Получилась более экономически эффективная зона, а по плотности потока и по спектру нейтронов мы практически ничего не потеряли. С точки зрения теплогидравлических и механических свойств новая конструкция надежнее предыдущей».

Кроме того, модернизация позволила продлить срок эксплуатации установки до 2045 года. «Для СМ‑3 критическим является состояние опоры центральной зоны, на которой установлены отражатель и ТВС, без ее замены мы должны были бы остановить реактор в 2021 году», — ​рассказал Алексей Петелин. Также установили новую, цифровую систему управления и защиты реактора. «На пульте управления СМ‑3 оборудование частично современное, часть еще требует обновления. Когда к нам приезжал глава «Росатома» Алексей Лихачев, он дал добро на дальнейшее обновление реактора, — ​говорит Алексей Петелин. — ​В ходе плановых ремонтных работ в 2021 и 2022 году мы рассчитываем обновить приборный парк и систему контроля радиационной безопасности».

Ученые НИИАР обосновали перевод реактора на новое топливо с низким вредным поглощением нейтронов, вместо стальной матрицы твэлов предложили использовать алюминиевую. «Образцы топлива были разработаны и изготовлены, мы их испытали, получили хорошие результаты, — ​сообщил Алексей Петелин. — ​Но стоимость новых ТВС оказалась слишком высока. Пока мы отложили реализацию проекта».

Отделить зерна от плевел

Облученные в реакторах мишени — ​это не готовая к использованию продукция. Требуется еще несколько технологических операций, которые позволят, например, облученные диски из иридия‑192 или кобальта‑60 превратить в закрытые источники гамма-излучения. Из других облученных мишеней с помощью радиохимической переработки можно выделить целевые изотопы для изготовления препаратов.

Целевые радиоизотопы как в виде источников, так и в виде препаратов применяются чрезвычайно широко: от неразрушающего контроля изделий и материалов до изготовления продукции медицинского назначения. Превращение облученной мишени, содержащей целевой нуклид, в готовое к употреблению изделие происходит в отделении радионуклидных источников и препаратов (ОРИП).

«Нашему подразделению только что исполнилось 30 лет, — ​рассказывает помощник начальника ОРИП Елена Калевич. — ​Оно было образовано из нескольких научных подразделений с целью координации и коммерциализации процесса производства, распределения производимой в НИИАР радиоизотопной продукции и увеличения доли НИИАР на мировом изотопном рынке».

Подразделение выпускает около 60 продуктов, в том числе источники ионизирующего излучения для дефектоскопии и научных исследований, радиоактивные препараты — ​в частности, сырье для изготовления радиофармпрепаратов. Особое место среди них занимает молибден‑99, из которого получают технеций‑99m.

Технеций‑99m выделяют из раствора молибдена‑99 с помощью специализированных устройств (генераторов) прямо в больнице и используют в клинической диагностике и терапии. В мире до 80 % диагностических процедур в ядерной медицине выполняются с использованием технеция‑99m.

Производство молибдена‑99 в НИИАР создали 10 лет назад. Сегодня оно обеспечивает еженедельные поставки продукции. Облученные урановые мишени из реакторного комплекса привозят в пятитонном защитном контейнере на специальном грузовике. С помощью сложной системы механизмов его разгружают и передают мишени в горячие камеры. Всего на этом участке шесть камер для переработки и одна для фасовки конечного продукта.

В результате облучения только 6 % ядер урана‑235 превращаются в ядра молибдена‑99, остальное — ​другие изотопы, образовавшиеся в результате ядерной реакции, а также осколки деления. Нужно отделить зерна от плевел. В защитных камерах мишени растворяют, отделяют осадок фильтрованием, очищают раствор, доводят его до заданной кислотности, отбирают пробы для анализа раствора на соответствие его характеристик требованиям контракта. Затем препарат в виде щелочного раствора молибдата натрия передают в камеру для фасовки. Здесь раствор расфасовывают, каждую первичную упаковку (флакон из нержавеющей стали) загружают в стальной охранный пенал с завинчивающейся крышкой, а пенал — ​в защитный транспортный контейнер.

Учитывая, что период полураспада молибдена‑99 всего 66 часов, нетрудно представить, как велика общая активность находящегося в камере продукта и как быстро нужно проводить переработку, чтобы минимизировать потери из-за природного радиоактивного распада.

Доставка потребителю — ​отдельная сложная задача. Молибден‑99 нужно развозить по всему миру, и из-за короткого периода полураспада делать все надо быстро и четко.

«Организацией доставок, таможенным оформлением грузов занимаются очень опытные и квалифицированные специалисты, — ​говорит Елена Калевич. — ​Есть свои специально оборудованные и лицензированные для перевозки радиоактивных грузов автомобили, которые доставляют продукцию заказчикам, в том числе за границу. Наиболее быстрый способ доставки — ​авиатранспорт, и специалисты по логистике помогают нам согласовывать производственный процесс с расписанием международных авиарейсов».

Изотопный патриотизм

Линейка изотопов, которые производит НИИАР, постоянно меняется. Несколько лет назад для международного научного проекта по изучению генома человека изготавливали довольно много фосфора‑33. Потом проект завершился, спрос на этот изотоп резко упал, и производство фосфора‑33 стало нерентабельным. «Зато появился интерес к новым для нас продуктам: йоду‑125, рутению‑106 для ядерной медицины, — ​отмечает Елена Калевич. — ​Сейчас активно развивается новое направление в ядерной медицине — ​альфа-терапия с применением радия‑223. Наши ученые совместно с медиками активно работают в этом направлении».

Специалисты НИИАР сожалеют, что большая часть радиоизотопов, применяемых в ядерной медицине, поставляется за рубеж. «Если сравнить объемы поставок за границу и внутри страны, разница в несколько порядков. Весь мир лечит опухоли простаты лютецием‑177. Мы производим его в больших количествах, но по России поставляем только тестовые партии», — ​посетовала Елена Калевич. В институте надеются, что ядерная медицина в стране будет развиваться и внутренних заказов на изотопную продукцию станет значительно больше.