Кооперационный украинско-германский проект

 (Цоглин Ю.Л.^1/, Шевель В.Н.^2/, информация к проекту)

Инициаторы:

Германия   –   Научно-инженерное Общество^1/ (зарегистрированное сообщество)
«KIW-Gesellschaft e.V.»,  Дрезден

Украина    –   Институт Ядерных исследований НАН Украины^2/, Киев

I. История вопроса, предпосылки

В настоящее время мир испытывает серьезные затруднения с обеспечением поставок радионуклида Молибдена-99. Об этом свидетельствует февральский 2010 г. пресс-релиз Германского союза ядерной медицины, об этом сообщалось на конгрессе по ядерной медицине (Лейпциг 21-24 апреля 2010) в докладе  „General Electric“. В августе с.г. проблема обсуждалась Комиссией ЕС, и наконец 14-го сентября с.г. фракция СДПГ  в Бундестаге сделала официальный запрос(32 вопроса) Правительству ФРГ  по проблеме снабжения ⁹⁹Mо. Ответ Правительства ФРГ, последоваший 10. Октября был нейтешительный

⁹⁹Mо является материнским радионуклидом  технеция ^99mTc, называемого «рабочей лошадкой» ядерной медицины. Период полураспада ^99mTс равен 6 часам. Он, испуская γ-квант с энергией 140 кэв, превращается в практически стабильный изотоп ⁹⁹Tс с периодом полураспада 214 тыс. лет. Фотоны с такой энергией хорошо регистрируются специальными устройствами, именуемыми гамма-камерами.  ^99mTc накапливается в специальных генераторах технеция, так называемых Мо/Tc-генераторах, «заряженных»   материнским радионуклидом ⁹⁹Mо.

 ⁹⁹Mо распадается с периодом полураспада 66 часов, накопленный при этом Tc^99m выделяется из генератора путем пропускания физраствора NaCl через сорбционную колонку, содержащую окись алюминия, ⁹⁹Mо и ^99mTс. Физраствор вымывает технеций, образуя  химическое соединение Na₂^99mTcO₄ – пертехнитат натрия. ⁹⁹Mо остается на сорбционной колонке, следующее выделение возможно по накоплению ^99mTс, примерно, через 24 часа. Такая работа генератора происходит до 5 суток, далее следует замена генератора новым.

Из-за короткого периода полураспада  ⁹⁹Mо создание запасов генераторов невозможно. Требуется их регулярные поставки еженедельно или еще чаще.

II. Конъюнктура рынка

 Мировая потребность в ⁹⁹Mо составляет в неделю 12 000 Кюри (Ки) из расчета величины активности на шестой день от производства. Так как:

стандартная процедура расчетов поставок и их стоимости базируется на величине активности, которая будет на шестой день после того, как ⁹⁹Mо будет вывезен с территории производства.

 Потребность Германии в ⁹⁹Mо составляет, из этого расчёта, 1500 Ки в неделю, а у производителя, соответственно, должно быть получено ~ 6000 Ки в неделю.

Основными производителями-поставщиками ⁹⁹Mо в мире являются пять крупных компаний (Табл.1) с «горячими» лабораториями, образовавшими на базе соответствующих ядерных  реакторов линии производства т.н. «осколочного» ⁹⁹Мо.

Таблица 1

III. Принятая в мире технология «осколочного» Молибдена

„Осколочный“   ⁹⁹Mо   получается    как   продукт  деления   тепловыми   найтронами ²³⁵U  при облучении в ядерном реакторе мишенeй с высоко обогащенным ²³⁵U (ВОУ). Их материалом может быть металлический уран, оксиды- или сплавы урана. Мишень должна представлять собой барьер-защиту от выхода продуктов деления, особенно газообразных, и иметь хорошую теплопроводность во избежание перегрева при облучении. Имеется еще ряд специальных требований к конструкции мишени, связанных с применением в ней делящегося материала, что приводит к еще большему усложнению технологии.

Выходы осколков ⁹⁹Mо составляет в среднем 6% от всех осколков деления. При плотности потока нейтронов 10¹⁴н/см²·сек максимальное накопление ⁹⁹Mо происходит на 5÷7-е сутки  после начала облучения. К этому моменту израсходовано всего около 3% всех ядер ²³⁵U в мишени. Остальной уран вместе с остальными 94% осколков деления определяются как выокорадиоактивные отходы. В итоге на 1 Кюри полученого ⁹⁹Mо приходится до 50 Кюри высокорадиоактивных отходов, подлежащих переработке и захоронению. Отсюда в линии с ядерным реактором появляется «горячая» лаборатория – радиохимическое производство – для выделения молибдена и переработки отходов.

Эта обязательная операция продолжительностью от 14 до 20 часов удлиняет срок доставки молибдена к генератору и приводит к потерям наработанного продукта. Наличие «горячей» лаборатории в линии производства ⁹⁹Mo – еще один фактор снижения надежности поставок (высокий риск радиационной аварии), к тому же, соответствующей лицензией они жестко привязаны к ядерному реактору в своей технологической линии и не могут быть взаимозаменяемыми при отказе в одной из линий. Т.е. все линии работают без резервирования! В этом одна из причин потери до 60% поставок молибдена, хотя исходные события и были связаны с производителями, а именно:

1. с остановкой канадского реактора NRU в Чок-Ривере из-за течи в I-м контуре в 2008г.
2. с остановкой реактора HFR в Нидерландах по технологическим причинам с августа 2008 и по настоящее время
3. с прекращением в это же время работы «горячей» лаборатории в Бельгии из-за выхода радионуклидов в окружающую среду

IV.Технология «радиационного» Молибдена

В ядерном реакторе может производиться не только „осколочный“ ⁹⁹Mо_. Другой путь это использованиe реакции радиационного захвата на ⁹⁸Мо по схеме

⁹⁸Мо + n ==> ⁹⁹Mo + γ (740 кэв)

В современном производстве этот путь считается коммерчески неприемлемым из-за низкой удельной активности (Ки/г - мишени). Его иногда используют для наработки небольших партий ⁹⁹Мо при производстве ^99mTc непосредственно на ядерном реакторе в централизованных экстракционных генераторах. Однако эта не признаваемая производителями технология обладает серьёзными преимуществами перед принятой «осколочной»:

1. Радиационная технология не использует делящийся материал сл.:
   • отсутствует риск критичности,
   • нет риска утечки делящегося материала,
   • отсутствует проблема перегрева мишени
2. Это экологически чистая технология, в ней отсутствуют РАО и трансураны
3. В технологической линии отсутствует радиохимия, отсюда:
   • существенно снижен риск радиационной аварии
   • сокращается время поступления ⁹⁹Мо к потребителю и, следовательно, увеличивается выход ^99mТс
   • снижаются общие затраты
   • техническая линия не имеет жестких привязок
4. В ней возможно порционированное производство (облучение),
5. Радиационная технология становится еще более привлекательной при переводе «осколочной» технологии на низкообогащенный уран (LEU), с чем связано увеличение размеров мишени и, следовательно, перестройка облучательных устройств, а также рост количества радиоактивных отходов, т.е. рост затрат и стоимости ⁹⁹Мо.

V. Производство радиационного ⁹⁹Мо в Киеве

Именно производство «радиационного» ⁹⁹Мо организавано в Киеве на реакторе ВВР-М по инициативе дирекции ИЯИ НАНУ. Поэтому, при получении информации о кризисе с ⁹⁹Мо в Германии и Европе, возникло предложение использовать возможности и разработки Киева для его преодоления.

После обсуждения ситуации с Дирекцией и специалистами ИЯИ было разработано проектное предложение и подана заявка на Кооперационный двусторонний проект «Молибден-99» паралельно в Министерства науки Германии и Украины.

Заявленный проект предполагает модернизировать освоенную в Киеве радиационную технологию получения ⁹⁹Мо в объёмах до 1500 – 2000 Ки (на 6-й день) и организовать трансфер радионуклида в клиники Германии .

В процессе подготовки проекта были проанализированы причины мирового выбора осколочной технологии получения ⁹⁹Мо. Было установлено, что коренные причины отказа от радиационной технологии в пользу осколочной лежат не столько в физико-технической области, сколько в области инерции представлений и финансовой коньюктуры. Эти представления сложились давно и никто серьезно не подвергал анализу их устойчивость.

Опираясь на многолетний опыт внутриреакторных исследований и специально проведенные расчёты и эксперименты нами было установлено, что низкая удельная активность [Ки/г] материала мишени – МоО₃ при облучении нейтронами не является неизбежным фактором радиационной (n, γ)-технологии. Оказалось, что этот недостаток может быть преодолён с помощью доступных нейтронно-физических и технических мероприятий.

Было исследовано и выделено шесть мероприятий (см. табл.2), переводящих радиационную технологию в разряд высокопроизводительных, которые предполагается осуществить для модернизации радиационной технологии на Киевском исследовательском ядерном реакторе (ИЯР).

Таблица 2

При этом имеется в виду, что реализация  всех указанных мероприятий в технологической схеме производства ⁹⁹Мо не приводит к изменению технологической цепочки, ассортимента оборудования и приборов в части, связанной с выработкой  ^99mТс и его использованием. Таким образом достигается необходимая для вхождения в рынок сходимость (конвергенция) новой (n, γ)-технологии и принятой в мире (n, f)-технологии.

VI. Необходимые действия и ожидаемый эффект

Как показали предварительные расчёты и эксперименты, при специальной организации нейтронного спектра, со сдвигом в область промежуточных нейтронов, можно за 114 час. облучения получить для материала мишени – МоО₃ с обогащением по ⁹⁸Мо до 99 % величину удельной активности до 20 Ки/г _МоО3.

Например, для задачи удовлетворить потребность Германии – 1500 Ки/неделю (на 6-й день), т.е. 6000 Ки на выходе из реактора, нужно облучить в течении стандартного рабочего цикла реактора, 114 часов, примерно 300 г триоксида молибдена с обогащением по ⁹⁸Мо до 99%. Для этого достаточно разместить в традиционном облучательном канале диаметром 35/32 мм (устанавливается в АЗ вместо одиночной ТВС) 4 ампулы ø12мм и высотой 140 мм.

Для резервирования поставок, обеспечения их надёжности предполагается исследовать и проработать возможность взаимодействия в паре с Киевским реактором ВВР-М Севастопольского реактора ИРТ-100. Этот реактор мощностью 200 квт, имеет максимальный нейтронный поток ~ 5 х 10¹² н/см²•с. Его  активная   зона  допускает   установку  2÷3-х  облучательных  каналов  диаметром  до 45 мм, что позволяет облучать одновременно до 600 - 700 г окиси молибдена, обогащённого до 99% по ⁹⁸Мо. Если путём не очень сложной модернизации реактора, в части развития поверхности его встроенного в бак реактора конвективного теплообменника, и наращивания АЗ удастся повысить мощность до 500 квт, то, при соответственно организованном спектре нейтронов, сдвинутом в промежуточную область, можно будет производить до 500 Кюри  ⁹⁹Мо в неделю на 6-й калибровочный день. При этом предполагается, что повседневно реактор должен работать в обычном режиме, подчинённом учебному процессу. И только в специальных случаях, как правило плановых, он должен будет включаться в работу в непрерывном режиме 100 – 120 часов производства ⁹⁹Мо. Ну и, конечно, включаться в этот режим при форс-мажорных ситуациях у основного поставщика – Киевского исследовательского ядерного реактора ВВР- М.

VII. Заключение

В заключение следует подчеркнуть, что производство в Украине радионуклида ⁹⁹Мо по без урановой технологии, организация трансфера технологии и поставок ⁹⁹Мо в Германию и, возможно, в другие страны ЕС, имеет большую социально-общественную, экологическую и политическую значимость. При этом, предлагаемый кооперационный проект является коммерчески выгодным предприятием. Цена на ⁹⁹Мо уже в начале 2010 года колебалась в пределах 470 USD/Ки_6день и имеет тенденцию к росту и сейчас  составляет ~ 850 USD/Ки_6день . Кроме валютных средств, эта кооперация может принести Украине и политические дивиденты – повысит её  международный престиж и значимость. Ведь, как правило, трансфер технологий и помощь оказываются Украине, в данном случае всё происходит наоборот: Украина помогает Европе.