后装治疗中涉及的与核燃料循环相关的部分技术

1、后装治疗中涉及的与核燃料循环相关的部分技术作者：李腾翔，南华大学核科学技术学院，学号201621010249摘要：利用核素进行的后装治疗做为肿瘤放射治疗中重要的方法之一，在肿瘤治疗中获得了深入研究和广泛应用，并且不断发展新的治疗方式。后装治疗装置使用的核素的获得涉及核燃料循环中的反应堆运行或乏燃料处理等环节。随着中子在放疗中剂量学优势的发现和研究，252Cf的制备和提取也成为了我国核燃料循环研究中一个较有价值的研究方向。关键词：后装治疗，核素，中子治疗，锎252（252Cf）制备和提取正文：1、后装治疗是放射治疗的一种方法后装治疗是肿瘤放射治疗的一种方法。在实际操作中先把放射治疗的施源器放置在

2、合适的位置或把施源针插植到合适的部位，然后拍片确认，经治疗计划系统计算剂量分布，得到满意结果后再启动开关，将放射源自动送到施源器或针内进行放射治疗。后装治疗属于近距离放疗，具有治疗距离短，源周局部剂量很高，周边剂量迅速跌落的特点，因而可提高肿瘤局部照射剂量，有效保护周边正常组织和重要器官，而且治疗部位的功能保持也比单纯外照射好。因为放射源是后来由机器自动放入的，工作人员隔室操作，避免了工作人员的放射损伤。图1.1 后装治疗装置示例2、放疗中使用的核素放射治疗开始的早期，钴60（60Co）、铯137（137Cs）、碘125（125I）、铱192（192Ir）这些就开始使用，1990s前后锎252

3、（252Cf）也投入使用。钴60（60Co）、铱192（192Ir）在后装治疗中应用相对最广泛，锎252（252Cf）也在使用，虽然中子存在辐射生物学的优势，不过中子的剂量学和辐射生物学效应还待进一步研究。2.1、核素制备的部分方法钴60（60Co）：钴(59Co的丰度为100)或含钴的其他材料制成靶，在高中子注量率反应堆中辐照适当时间，即可获得比活度高的钴60（60Co）。图2.1 60Co衰变纲图铯137（137Cs）：核试验、核反应堆的放射性废物、核燃料后处理厂的放射性废液。为了分离和浓缩铯137（137Cs），可用稳定的铯做为载体，利用铯能生成多种难溶性盐类的特点，采用共沉淀法；共沉淀

4、法操作简便，浓集效果好，但是净化效果较差。可利用无机离子交换剂，比如磷钼酸铵，对铯137具有选择吸附作用，使铯和其他杂质分离，对铷、钾特别是钾的净化效果较好。图2.2 137Cs衰变纲图铱192（192Ir）：191Ir中子辐照产生，自然界191Ir丰度为37.4%；另有天然同位素193Ir，经中子辐照产生194Ir，但半衰期短，经过适当冷却衰变掉。图2.3 192Ir衰变纲图锎252（252Cf）：合成和生产方法有三种： 加速器合成、地下热核爆炸、高通量堆照射；其中高通量堆照射是最稳定和高效的，也是唯一可商业化生产锎252 源的方式。高通量中子辐照锔（Curium）靶来生产锎252。图2.4

5、 252Cf衰变纲图2.2、铯137（137Cs）的应用和局限早期，铯137是放射治疗中使用的主要核素之一，铯137是核裂变的重要产物之一，属中毒性放射性核素，既可以做为放射源，也可以做为源。做为核裂变方应中重要产物之一，乏燃料是提取放射性铯（主要是长寿命的137Cs）的重要原料，裂变产物中绝大部分核素都集中在后处理厂的高放废液和废气中，提取的过程较为复杂，对防护和净化要求高，且难获得纯度高的铯137（137Cs），但是这种方法具有产量高和成本低等优点。铯137在环境和生物样品中的分析测定已成为环境放射性检测中的重要项目。137Cs放射源的应用非常广泛，几乎遍及各行各业；在农业上：常用于辐射育

6、种、刺激增产、辐射防治虫害和食品辐照保藏与保鲜等；在工业上：常用于无损探伤、辐射消毒、辐射加工、辐射处理废物，以及用于厚度、密度的测定和在线自动控制等；在医学上：常用于癌和肿瘤的放射治疗。但是作为放射治疗用源，铯137（137Cs）并不是最好。铯137（137Cs）治疗的局限性：例如在宫颈癌治疗中使用全剂量放疗加根治手术虽然治愈率很高，但是双重损伤所造成的瘘管损伤，使得这种治疗方式有很大的局限性，而其中瘘管损伤完全属于放射损伤；而主要用作术前半剂量照射结合根治手术。虽然这是此类疾病应用后装治疗装置治疗都可能产生的影响，但是铯137的能量特性使得这些辐射损伤更加严重。表3-1 137Cs衰变能级

7、铯137（137Cs）半衰期较长，放射源生产厂家的效益性相比其他源不高，相比较较短寿命的源，报废源处理复杂。3、 中子治疗的发展252 Cf后装源主要发射中子线，它属于高传能线密度辐射线，当射线通过人体组织时，中子线以其本身粒子的快速动能和人体组织的原子相互作用，尤其在射线通过的轨迹上发生电离现象而传递电离辐射的部分或全部能量；这样，人体组织吸收电离辐射的能量后会发生一系列的物理、化学、生物学变化，主要表现为射线对人体细胞的物理过程产生电离和激发，引发一系列化学变化，对细胞产生单击杀伤效应，其生存曲线成指数下降，最终导致生物学的改变中子射线对人体细胞的作用分成直接作用和间接作用两个部分：中子进

8、入人体后主要发生中子与氢原子核的弹性散射和俘获过程，快中子能量的85%95%都是在弹性散射时交给反冲质子的，252Cf中子治疗时90%以上的剂量即由此引起。中子穿过物质时能量降低变成热中子，热中子可被氢原子核俘获，产生激发态的氘核，回到基态时放出2.2MeV光子，体内深层组织的剂量主要来自这种相互作用。中子碰撞时产生的反冲核做同速运动，引起染色体脱氧核糖核酸中和细胞膜中的原子电离和激发，使染色体脱氧核糖核酸化学键断裂或细胞膜破坏，从而破坏了细胞的正常功能和代谢作用，直接导致细胞的死亡，此种直接导致癌细胞死亡的成因，具有其他射线无法比拟的优势；中子在通过组织的径迹上与细胞内的水分子相互作用，引起

9、水的辐射分解，产生大量活泼的自由基，自由基可与另一个水分子发生反应而形成具有高度活性的氢氧自由基。氢氧自由基弥散到DNA靶点上，引起DNA分子的损伤，这样也能间接导致细胞的死亡。研究结果表明，不同生物学指标在混合照射时的剂量与效应的依赖关系，和射线照射时的规律相似，但混合照射引起的辐射损伤比相同剂量射线的损伤更为严重，并且中子比例越高损伤效应越重。中子对癌细胞的杀伤作用就是基于上述的直接和间接作用，这是近20年来中子在肿瘤放射治疗中逐渐崛起的原因，也是理论促进实践的又一证明。中子射线在放射生物学方面的优势表现在四个方面：相对生物效应（RBE）高，氧增强比（OER）低，潜在致死性损伤（PLD）和

10、亚致死损伤修复少，细胞周期效应不明显。4、锎252的生产供应分析锎252虽然有广泛的应用， 但是其制备和生产工艺造价高、 运行费用昂贵， 产出很低。其合成和生产方法有三种：一是加速器合成；二是地下热核爆炸法合成； 三是高通量堆照射。其中高通量堆照射是最稳定和高效的制备方式，也是唯一可以商业化运行生产锎-252源的方式。目前仅有两个国家的实验室具备利用高通量辐照锔（curium）靶来生产锎-252放射性同位素的能力。一个是美国的橡树岭国家实验室， 另一个是位于俄罗斯季米特洛夫格勒（Dimitrovgrad）的联邦原子反应堆科学研究院（RIAR）。其中美国生产的锎-252占世界总产量的70%，除了

11、满足国内应用研究的需要之外，还以氧化锎和氧化锎-钯金属陶瓷丝半成品的化学形式销售给放射源制造厂商，由制造商加装源壳制成不同形状、规格的放射源，再销往不同国家。中国原子能科学研究院现有中国先进研究堆以其高性能指标居于世界前列，但由于其通量值的限制，还不具备生产锎252的能力。我国中子科学、燃料材料及同位素产品生产能力建设依然任重而道远，因此，建立属于我们自己的锎252生产能力，实现自主生产是中国应该选择的改变现状的长远大计。参考文献I.半量_137_铯腔内照射治疗宫颈癌的疗效观察_章桂红，兰州医学院学报1985年第一期；II.高剂量率_137_铯后装机治疗_期宫颈癌疗效观察_要守静，山西医药杂志 1996年第 25卷第 6期；III.四苯硼钠萃取法快速分析裂变产物中铯_137的补充研究_孙亦樑，原子能科学技术1966年第1期；IV.铱192和锎252后装治疗放射源研究与临床应用_杨晓霞，解放军医学杂志 2005年11月第 30卷第11期；V.锎_252中子源世界供应市场分析_侯燕妮，中国核工业行业观察；VI.国产遥控Co_60_后装治疗机治疗子宫颈癌的近期疗效_芦士霞，安徽医科大学学报 1995年第30卷第5期；VII.铱_192_高剂量率后装加外照射治疗宫颈