Оптимизация нейтронно-физических характеристик специализированного медицинского реактора

Одной из фундаментальных проблем медицины является борьба с онкологическими заболеваниями. Терапия онкологических заболеваний помимо медикаментозного и хирургического использует и воздействие ионизирующего излучения: электронами, протонами, а-частицами, а также гамма-излучением и нейтронами, которые при прохождении создают заряженные частицы. Во многих случаях облучение опухолей фотонами и электронами при лечении онкологических заболеваний оказывается мало эффективным. Доля таких пациентов по различным оценкам составляет от 10 до 30% всех больных, которым показано использование нейтронного облучения.

В нейтронной терапии злокачественных новообразований используются как быстрые нейтроны с энергией от долей МэВ до десятков МэВ (так называемая нейтрон-соударная терапия — НСТ), так и эпитепловые с энергией в диапазоне от нескольких эВ до десятков кэВ (нейтрон-захватная терапияНЗТ).

Одна из основных проблем, связанная с использованием нейтронного пучка, заключается в нахождении таких условий и режимов облучения, когда в опухоли создается доза на уровне 50−60 Гр, а в здоровых тканях локальная максимальная доза не превышает 10 Гр. Заметим, что аналогичная проблема существует и при использовании других видов ионизирующего облучения, и при медикаментозном лечении: любая терапия оказывает и вредное воздействие, и полезное. Медицина стремится причинять наименьший вред организму, т. е. минимизировать отношение вред/польза.

Нейтрон-захватная терапия опухолей представляет собой сложную, многокомпонентную медицинскую технологию, предъявляющую высокие требования к параметрам нейтронного пучка, используемого для облучения, в особенности к его интенсивности. В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют пучки нейтронов, выведенные из активной зоны ядерного реактора.

Энергии нейтронов, выведенных из активной зоны ядерного реактора, находятся в очень широком интервале: от долей эВ до нескольких МэВ. Энергетический спектр нейтронов в пучке возможно изменять с помощью специальных фильтров и замедлителей, например повышать среднюю энергию, убирая низкоэнергетическую компоненту (для НСТ) или оставлять эпитепловые нейтроны (для НЗТ). К числу преимуществ реакторных нейтронов для лучевой терапии по сравнению с другими источниками нейтронов относятся: высокая энергетическая и пространственно-временная стабильность нейтронных пучковбольшие геометрические сечения пучков и равномерность потока по сечениюблизкое к мононаправленному распространение нейтронов.

Широкомасштабное внедрение нейтронной терапии в клиническую практику онкологических диспансеров и радиологических центров страны в настоящее время полностью зависит от комплектования этих медицинских учреждений интенсивными источниками нейтронов, поэтому разработка малогабаритных ядерных реакторов, ориентированных на размещение в клинике с генерацией нейтронов для лучевой терапии, представляется актуальной задачей.

В работе [1,2] были наиболее четко сформулированы требования по размещению реактора непосредственно в клинике.

Реактор должен быть безопасным, что может быть достигнуто, в частности, за счет минимального оперативного запаса реактивности и минимальных изменений технологических параметров на всех стадиях его эксплуатации.

Экологические требования к реакторной установке формулируются как минимальное количество радиоактивных отходов (отработавшего топлива и радиоактивных материалов) на один нейтрон в терапевтическом пучке. В частности этому способствует старт-стопный режим работы реактора и минимально возможная мощность реактора.

Специализированный медицинский реактор должен быть достаточно универсальным, поскольку требования к характеристикам нейтронного пучка при разных вариантах нейтронной терапии могут заметно отличаться.

Нейтронные пучки должны обладать такими свойствами, чтобы обеспечить максимальный терапевтический эффект, который определяется отношением дозы облучения опухоли к дозе облучения здоровой ткани.

Цели настоящей работы: нахождение оптимальной компоновки, состава активной зоны и коллимационной системы специализированной нейтронно-терапевтической реакторной установки, предназначенной для размещения на площадке клиники с единственным назначением — создать пучок нейтронов для нейтрон-захватной и нейтрон-соударной терапии, и удовлетворяющей сформулированным требованиям по безопасности и экологиинахождение оптимального состава фильтра и условий коллимации нейтронного пучка для получения наибольшего терапевтического выигрышасоздание программы для нахождения наилучшего сценария облучения пациента при заданном расположении опухоли и ее размерах с целью максимизации терапевтического выигрыша.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

— оптимизирован состав и геометрия активной зоны реактора и определены ее характеристики;

— обоснованы расположение и эффективность системы СУЗ;

— оптимизированы система фильтров и коллимационная система реакторной установки «МАРС», позволившие получить наилучшие качественные показатели пучка нейтронов;

— создана программа выбора сценария облучения пациента для достижения наибольшего терапевтического выигрыша.

Диссертация представлена в трех главах и заключении. В первой главе проанализированы реакторные установки, используемые для нейтронной терапии. Детально описаны реакторы, имеющие мощность до 300кВт, как более близкие к малым аппаратам, которые можно было бы разместить в клинике.

Основной особенностью существующих реакторных установок используемых для НЗТ, при всем их многообразии является то, что это многоцелевые исследовательские реакторы большой мощности. Где медицинское применение есть только одна из многих функций. Качество пучков определяется теми или иными техническими характеристиками собственно реакторной установки.

Во второй главе приведены результаты исследований, проведенных автором, по выбору и обоснованию геометрии активной зоны и ее составу. В главе последовательно изложены результаты и даны выводы по конечному варианту.

В главе 3 представлены результаты оптимизации выводного пучка реактора «МАРС» и сопоставлены характеристики качества полученного пучка реактора по критериям качества с известными работающими или проектируемыми установками.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:

— рассчитаны, обоснованы и оптимизированы нейтронно-физические характеристики специализированного реактора для нейтронной терапии;

— После оптимизации состава фильтра получены параметры пучка лучшие среди известных и проектируемых реакторных установок;

— предложено и реализовано программное обеспечение для оптимизации сценария облучения пациента.

На защиту выносится: выбор топливной композиции и геометрии для медицинского реактора расположенного в клиникеоптимизированные нейтронно-физические характеристики специализированного реактора для нейтронной терапииоптимизированные нейтронно-физические характеристики выходного пучка нейтроновоптимизационная программа по нахождению режима облучения при НЗТ для реакторных пучков нейтронов реактора «МАРС».

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что предложены и обоснованы геометрия и состав активной зоны безопасного специализированного медицинского реактора, который может быть расположен непосредственно на территории онкологического центра.

Система фильтров реактора оптимизирована с целью получения максимального терапевтического эффекта.

Апробация работы.

Ниже перечислены международные, всероссийские и отраслевые конференции и семинары, на которых представлялись материалы диссертационной работы.

— IX Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров», Обнинск, 2005 г.

— II Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине», Троицк 2006 г.

— X Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров», Обнинск, 2007 г.

— III Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине», Троицк 2008 г.

Диссертация содержит 106 страниц, 43 рисунка, 51 таблицу.

Список литературы

76 наименований.

Благодарности.

Представленная работа — составная часть работы над большим проектом по созданию специализированной установки, которая не могла быть сделана без участия многих специалистов. Автор особенно благодарен Матусевичу Евгению Сергеевичу за конструктивную критику и активную поддержку, Кураченко Юрию Александровичу, соавтору многих работ, за непосредственную помощь и консультации.

Самая большая признательность и благодарность научному руководителю Казанскому Юрию Алексеевичу за активную позицию, деятельную поддержку, непосредственное, живое и неформальное участие в работе.

Выводы к главе 3.

Показано, что за счет варьирования состава и толщины фильтров нейтронного пучка можно найти наилучшее значение терапевтического выигрыша. При проектировании источников нейтронов имеет смысл предусмотреть возможность сменные фильтры пучков для конкретных глубин залегания опухоли.

В принципе, для глубоко расположенных опухолей невозможно удовлетворить требованиям по максимальной допустимой дозе для здоровой ткани, в таких случаях необходимо проводить облучение под разными углами относительно места расположения опухоли. Для выбора оптимального сценария облучения, варьируя диаметр пучка нейтронов и его направления относительно опухоли, был разработан программный комплекс.

Заключение

.

Найдена оптимальная компоновка геометрии и состава активной зоны реактора, удовлетворяющая требованиям, предъявляемым к реакторам при размещении на площадке клиники. Показано, что реактор на основе уранового топлива при работе в течение 10 лет в старт-стопном режиме, может иметь запас реактивности, не превышающий долю запаздывающих нейтронов (исключен разгон на мгновенных нейтронах). Радиоактивность топлива в конце срока службы реактора рекордно низкая, что обеспечивает экологические требования при размещении реактора в клинике.

Для выбранного варианта установки «МАРС» рассчитаны запас реактивности, коэффициенты реактивности, определена чувствительность эффективного коэффициента размножения к геометрии и составу отражателя, определены эффекты реактивности при извлечении твэл из активной зоны и при сливе воды из активной зоны, выполнено расчетное обоснование типа и количества органов СУЗ реактора.

Найдены и обоснованы оптимальные составы фильтров и условия коллимации нейтронного пучка для получения наилучшего терапевтического выигрыша. Показано, что за счет варьирования состава и толщины фильтров нейтронного пучка можно найти наилучшее значение терапевтического выигрыша. При проектировании источников нейтронов имеет смысл предусмотреть сменные фильтры пучков для конкретных глубин залегания опухоли.

Создан программный комплекс для нахождения наилучшего сценария облучения пациента при заданном расположении опухоли и ее размерах с целью получения наибольшего терапевтического выигрыша.