Рассмотрев рынок производства и потребления метастабильного изотопа 99mTc, мы смогли зафиксировать несколько основных фактов. В течение календарного года ядерная диагностическая медицина использует порядка 40’000 доз этого вещества для проведения процедур, причем процедуры эти дороги настолько, что их могут позволить себе системы здравоохранения только стран «золотого миллиарда».
Рынок потребления практически монополен: половина технеция уходит в США, 30 с лишним процентов — в страны ЕС, около 10% — в Японию, на долю остального мира приходится порядка 8%. При этом 85% изотопа 99Мо — исходного сырья для 99mTc — производятся всего на четырех исследовательских атомных реакторах, один из которых расположен в Канаде, еще три работают в Европе. При этом их возраст таков, что до 2022 все эти реакторы будут остановлены, в мире наступит кризис производства препарата, остро необходимого медикам.
На сегодняшний день Росатом смог выйти на производство почти 8% мирового объема 99Мо, используя свои собственные исследовательские реакторы. Но, вместо того, чтобы бороться традиционными способами и темпами за считанные единицы процентов или их доли, предприятие «Русатом растворные реакторы» на мартовской выставке NDExpo-2017, без лишней скромности, заявило о своей готовности произвести некую технологическую революцию.
Что такое «растворный реактор с жидким НОУ-топливом»?
Это частный случай гомогенного атомного реактора. Ой, опять не понятно? «Геоэнергетика» достаточно часто рассказывала про энергетические атомные реакторы и их разные типы, но ни разу не упомянула о том, что самое общее, первичное разделение их на два класса — это реакторы гетерогенные и гомогенные.
Гетерогенные реакторы — те, в которых ядерное горючее конструктивно отделено от замедлителя, носителя и прочих элементов активной зоны. Ничего сложного. Видим в реакторе ТВЭЛ — значит, имеем дело с гетерогенным реактором. Ну, а в гомогенных реакторах в активной зоне — некая однородная, гомогенная смесь топлива и замедлителя, то есть тепловыделяющих сборок в таких реакторах просто нет. Какие бывают эти загадочные смеси? Растворы солей урана, суспензии окислов урана в обычной и в тяжелой воде, расплавленные соли, газообразные соединения урана и даже взвеси урановой пыли в различных газах. Тепло, выделяемое при ядерных реакциях, отводится теплоносителем (водой или газом, в последнем случае имеем дело с «газоохлаждаемым реактором»), либо сама гомогенная смесь топлива и замедлителя циркулирует по теплообменным трубам.
«Гомогенные реакторы не нашли широкого применения вследствие высокой коррозии конструкционных материалов в жидком топливе, сложности конструкции реакторов на твёрдых гомогенных смесях, больших загрузок слабообогащённого уранового топлива и других причин.» , Wiki
Но, как это часто бывает, статья в Википедии появилась поздновато, потому, видимо, наши специалисты из Курчатовского института в 1981 году и создали растворный реактор «Аргус», который с 1984 года работает себе и работает. Физики всех остальных стран статью Википедии изучили самым тщательным образом, поэтому на сегодня «Аргус» — единственный в мире растворный реактор. Очередное доказательство нашего «тотального технологического отставания».
Даже сравнивать не приходится с такой продвинутой страной, как США. В этой стране широко известная в узких “ядерных кругах” компания Babcock&Wilcox пяток лет назад разработала свой собственный гомогенный атомный реактор. Разработала. Но — концептуально. И как сообщает сама компания, “требуется большой объем НИОКР и нет ясности с финансированием”. Но мы, само собой, верим в успех американских технологий и уверены, что не пройдет и десяти лет, как они повторят наше достижение 1981 года. Удачи вам, господа!
Растворный ядерный реактор «Аргус», Рис.: redstaratom.ru
Герметичный реактор создан из стали марки 08Х18Н10Т — отнюдь не секретная придумка завода «Красная Звезда», состав которой можно найти в любом металлургическом справочнике. Найти можно, а вот повторить ни у кого пока так и не получается.
Хитрость кроется в последней буковке «Т» — это добавка титана, без которой мы видим перед собой самый простецкий сплав, используемый в пищевой промышленности. Как наши металлурги «втиснули» в сплав титан, они предпочитают не рассказывать, а реактор «Аргус» предпочитает не обращать внимания на предсказания о его скорой гибели. В качестве топлива использовался уранил-сульфат с обогащением по 235U всего в 90. Название «уранил-сульфат» звучит страшненько, но это всего-навсего раствор урана в серной кислоте, не более того. Хороший такой, насыщенный раствор, урана в нем больше 70%.
Реакторная установка «Аргус», Рис.: elib.biblioatom.ru
Поскольку «Аргус» был задуман именно как исследовательский — он не просто маленький, тут надо использовать слово «миниатюрный», поскольку в нем используется всего 22 литра кислотно-уранового сиропа. Разумеется, при такой малой величине активной зоны ни о какой выработке электроэнергии речи не идет и все, что вырабатывает «Аргус» — это только тепло, которое снимается дистиллированной водой, циркулирующей в змеевике вдоль стенок корпуса. Да и тепла он вырабатывает совсем немного, всего 20 кВт. Представьте, что у вас на кухне не один электрический чайник, а 20 – вот их «Аргус» и обеспечит нагревом воды.
Все, что требовалось и требуется для исследований — как можно более плотный поток нейтронов, под который можно «подставлять» исследуемые образцы тех или иных материалов, а затем при помощи диагностической аппаратуры следить за их поведением. «Аргус» выдает в центральный канал, предназначенный для облучения исследуемых образцов 500 миллиардов нейтронов на квадратный сантиметр каждую секунду — этого вполне достаточно для основной цели, ради которой он создавался. Имеются еще и два периферийных канала, где поток нейтронов в два раза менее интенсивен, позволяя проводить на одной установке два немного разных вида исследований.
История «Аргуса»
В начале 80-х про ядерную медицину еще никто не думал, атомщики хотели позаботиться о … геологах. Эти бородатые мужики в свитерах не только поют под гитары, что мы чаще всего видим в романтических фильмах про «покорение недр», они еще и добывают-собирают образцы пород в самых разных местах. В горах и в шахтах, вытаскивают их из своих скважин самой разной глубины. И к концу экспедиционного сезона коллекция таких образцов насчитывает тысячи экземпляров, состав которых надо изучать самым тщательным образом. Ядерщики, работавшие на «Аргусе», последовательно подвергали облучению на своем «малыше» образцы едва ли не всей таблицы Менделеева, чтобы увидеть показания датчиков при обработке каждого элемента. Наработав базу данных, они могли обрабатывать керны с породой с невероятной скоростью, которая самим геологам и не снилась. Опустил образец породы в центральный канал, включил все необходимые детекторы, и минут через несколько анализ содержимого готов.
Не велик объем активной зоны «Аргуса», потому и все прочие размеры установки делают ее едва ли не «комнатной». Параллелепипед 1,5 х 1,5 х 1,3 метра — вот и все размеры установки. Корпус реактора окружен графитовым отражателем, за графитом идет бетон, зона радиоактивной безопасности заканчивается в 50 метрах от установки. Мало того, особенности протекающих в растворе физических процессоров такова, что реактор «глушит» сам себя при повышении температуры или давления выше пороговых значений, то есть никакой внештатный режим на «Аргусе» невозможен в принципе, реакция прекратится безо всякого вмешательства со стороны персонала. Автоматически регулируется и содержание водорода, что устраняет опасность его взрыва при соединении с атмосферным кислородом. Именно по этим причинам «Аргус» можно спокойно размещать посреди города.
История «Аргуса» четко соответствует поговорке «Нет худа без добра». Как обстояли дела с геологической разведкой в 90-е годы, известно – худо. Но в Курчатовском институте не привыкли сидеть, сложа руки, а потому решили попробовать при помощи этого реактора нарабатывать радиоактивные изотопы вообще и молибден-99 в частности – и это явно «добро». Но Курчатовский институт не входит в состав Росатома – и это худо, потому, что никто не дал ученым-курчатовцам права на использование мишеней, содержащих уран оружейной чистоты. Однако, в Курчатовском институте во все времена были собраны не просто специалисты, а Специалисты с большой буквы – и это явно «добро».
Реактор «Аргус» с экспериментальными устройствами для получения Молибдена-99 и Стронция-89, Рис. elib.biblioatom.ru
К 1998 году в Курчатовском институте закончили разработку получения 99Мо … вообще без мишеней. Молибден накапливается в специальной сорбционной колонке, для перемещения которой в горячую лабораторию в том же институте Курчатова разработали все необходимые транспортные приспособления. Но и горячая камера в случае «Аргуса» свое название носит условно, ведь тут никто не растворяет никакую мишень, здесь ведут рутинную работу по химической очистке молибдена, и не более того. В результате требуется гораздо меньше оборудования, нет необходимости в громоздкой радиационной защите, все происходит в режиме «быстро и сердито». И самое главное — радиоактивные отходы просто отсутствуют, что делает работу с «Аргусом» особенно привлекательной.
Поскольку в атомном проекте никто никому на слово не верит, «курчатовский» 99Мо был проверен на чистоту не только в России, но еще и в Бельгии как в стране, являющейся одним из его основных производителей, и в США, как в стране, являющейся основным потребителем конечного продукта – 99mTc. Огорчил или обрадовал западных партнеров тот факт, что «наш» молибден не только соответствует их фармакологическим стандартам, но еще и превосходит «их» молибден по химической чистоте? С одной стороны Россия для них – конкурент, с другой стороны совсем рядом срок, после которого производство молибдена сократится в 6-7 раз, что вызовет справедливые нарекания со стороны медиков. Как бы и не хочется отдавать рынок, но одновременно и противопоставить-то нечего, а продукт очень нужный и важный.
В чём же революция?
Преимущества «Аргуса» перед традиционной, «мишенной» наработкой 99Мо действительно революционны. «Аргус» стоит всего 35 миллионов долларов – на порядок дешевле традиционных исследовательских реакторов. «Аргусу» не нужны отдельные площадки, специальные здания – он спокойно вписывается в любое более-менее большое промышленное помещение. У «Аргуса» минимальная зона радиоактивной безопасности, что позволяет лицензировать его строительство и ввод в эксплуатацию в населенных районах, то есть поближе к потенциальным потребителям, что, с учетом периодов полураспада молибдена и технеция весьма и весьма немаловажно.
Эксперименты показали, что «Аргус» обеспечивает наработку молибдена и в том случае, если обогащение по урану-235 соответствует требованиям МАГАТЭ и Договора о нераспространении ядерного оружия. Не требуется «Аргусу» 90% обогащения, ему и 20 вполне достаточно. Чем меньше мощность реактора – тем меньше возникает радиоактивных отходов, а «Аргус» имеет тепловую мощность в 100 раз меньшую, чем у исследовательских реакторов. Ну, а эффективность использования урана, входящего в состав того самого уранил-сульфата приближается к 100%, а не к 3%, которые имеют место быть при «мишенной» наработке молибдена.
Технические характеристики реактора «Аргус», Рис.: atomicexpert.com
При нынешних ценах на молибден и технеций, «Аргус» окупает себя за 3-4 года, но и падение цены не страшит Росатом. Завод «Красная звезда», который сначала стал называться АО «Красная Звезда», а теперь «Русатом растворные реакторы» в настоящее время в тесном сотрудничестве и при научном руководстве Курчатовского института заканчивает разработку «Аргуса» нового поколения, тепловой мощностью 50кВт и с реактором, рассчитанным на 30 литров уранового раствора (на 7 литров больше).
8 февраля 2016 года институт им. Курчатова подписал с Росатомом «дорожную карту» развития центров ядерной медицины и соглашение о сотрудничестве. Уникальная научная разработка на наших с вами глазах встает на путь превращения в массовый продукт, ведь 35 миллионов долларов – это вовсе не 300-500 миллионов, такие расходы вполне по силам странам, не входящим в состав «золотого миллиарда». Рынок не будет расти в обычном темпе, шаг за шагом – он, простите, просто взорвется. Это и будет той технологической революцией в ядерной медицине, о которой Росатом не только говорит, а которую он тщательно, аккуратно готовит вот прямо сейчас, в режиме онлайн.
Полтора-два года будет уходить на привязку к территории нашего типового проекта, лицензирование площадки, подготовку персонала, ещё полтора года – на монтаж оборудования и запуск его в эксплуатацию. В предыдущей статье мы рассказывали о потенциальном конкуренте Росатома – австралийцах, которым запуск их исследовательского реактора обошелся в 167 миллионов долларов и на котором молибден-99 предполагается нарабатывать традиционным, «мишенным» способом с соответствующей себестоимостью. Предлагаем порадоваться за австралийцев, которые теперь смогут заниматься самыми разными исследованиями на первом в их стране атомном реакторе. Экспериментов на нем можно поставить множество, ведь наработка молибдена не будет отнимать ценное время.
«Аргус» сегодня и завтра
Запуск нового «Аргуса» в России ожидается уже в 2019 году, работы идут в городе Сарове, но ирония судьбы еще и в том, что в этом году появится не один, а сразу два референтных образца. В далеком 1981 году в СССР было запланировано построить не один, а два «Аргуса» – в городах Москва и Душанбе. В феврале этого, 2017-го, года президент России нанес государственный визит в Таджикистан, одним из участников с нашей стороны был новый президент Росатома Алексей Лихачев.
Алексей Лихачев, глава Росатома, Фото: pbs.twimg.com
Лихачев ездил в славный город Душанбе отнюдь не на экскурсию, в ходе визита он подписал с президентом АН Таджикистана Фарходом Рахимовым Соглашение о сотрудничестве в области мирного использования атомной энергии.
Извините за то, что мы повторили эти официальные слова, на самом деле речь идет о совершенно уникальном для постсоветского пространства и истории случае. Все, что успели сделать в Таджикистане для запуска «Аргуса», до последнего винта-шурупа – цело! Не разворовано, не сдано в цветмет в качестве металлолома, не пришло в негодность из-за безответственного хранения. Правительство Таджикистана обеспечит финансирование окончания строительства первого в своей истории атомного реактора, и для России этот «Аргус» станет пилотным экспортным образцом. Идеология проста и незатейлива: будет реконструировано здание, заменена система управления, закуплено топливо и подготовлены специалисты, будут поставлены генераторы технеция.
У тех, кто будет использовать наш «Аргус», не будет необходимости работать с ураном и РАО. Мы привезем топливо, произведем загрузку – и, собственно говоря, все. Обслуживающий персонал сможет получать из установки 99Мо и только 99Мо , а все трансурановые элементы будут накапливаться и оставаться в реакторе 10 лет, пока мы же и не заберем это ОЯТ в соответствии с обычными правилами, точно такими же, как и с облученным топливом атомных электростанций.
Горячая лаборатория, дорогой и очень хлопотный этап производства молибдена при мишенном способе его производства, для работы с «Аргусом» становится просто не нужна. И это станет еще одной причиной снижения стоимости конечного продукта, еще одной причиной для взрывного роста рынка потребления – замкнутый цикл с точки зрения производства молибдена.
Все работы в Таджикистане планируется закончить до 2020 года, и тогда мы получим не только два референтных образца – мы получим полноценный экспортный реактор, оценивать работу которого смогут все заинтересованные государства, как из состава «золотого миллиарда», так и все, кто в него не входит, но испытывает потребность в развитии самых передовых методов современной медицины.
Вот теперь можно подвести итог предложения «Русатом растворные реакторы». Реактор, стоимость которого на порядок меньше гетерогенного исследовательского реактора. Отсутствие необходимости работать с высокообогащенным ураном при химической чистоте 99Мо лучшей, чем при наработке изотопа на мишенях. Минимальная зона безопасности, позволяющая использовать обычные промышленные помещения, расположенные рядом с медицинскими центрами, тем самым решая многие проблемы логистики доставки препаратов. Минимально возможный срок ввода установки в эксплуатацию, облегчение всех проблем, связанных с лицензированием. Отсутствие необходимости в горячих камерах по причине отсутствия радиоактивных отходов, которые раз в 10 лет будет забирать производитель, чем обеспечивается «замкнутый молибденовый цикл» для заказчика нашего оборудования. Или, если совсем уж коротко: дешево, сердито и без проблем для заказчика!
Каковы перспективы для России, как производителя?
Основательная загрузка машиностроительного дивизиона Росатома, усилиями которого мы будем продолжать уходить от сырьевого экспорта. Приличная прибавка работы для горнорудного дивизиона, которому предстоит обеспечивать «Аргусы» ураном, увеличение загрузки наших урановых центрифуг. Расширение технологического влияния России в такой сложной отрасли, как медицинский хайтэк. Конечно, говорить об этом пока рановато, но очевидно, что нам предстоит готовить и специалистов для работы на наших установках, а это будет маленькой, но очень полезной «пружинкой» для нашей образовательной системы.
Отбросим эмоции, просто зафиксируем факт: технологическая революция производства 99Мо тщательно подготовлена и неизбежна, ни у одного из наших потенциальных конкурентов нет и намека на обладание технологией, способной хоть что-то противопоставить «Аргусу». Это уже, как часто говорят, просто медицинский факт, причем, в нашем случае, ядерно-медицинский. Будет ли успех России полным, если на этом и остановиться? Конечно же, нет, ведь производство молибдена, хоть и очень важная часть ядерной медицины, но она – всего лишь «одна из». И наш Росатом не был бы Росатомом, если бы не стал готовить наступление по всем фронтам.
Задуманное и осуществляемое в настоящее время руководством концерна создание нового дивизиона «Русатом Хэлскеа» было явлено городу и миру в марте этого года на выставке NDExpo-2017. Если внимательно присмотреться к тому, что было представлено на ней для ядерной медицины, то больше всего, на наш взгляд, это походит на смотр войск в ходе своеобразного парада. Конечно, впереди большая организационная работа, но Росатому есть, что собрать в «бронированный кулак».
Да, основная магистраль – это «Аргус», промышленное производство которого способно обеспечить многократное увеличение масштаба применения ядерной медицины в мире, возможность взрывного роста количества проводимых процедур. Для того, чтобы производить нынешний объем используемого 99mTc, 40’000 доз ежегодно, потребуется около 50 «Аргусов». Много? Конечно. Но важнее то, что реализация стратегии Росатома позволит кардинально изменить нынешнюю структуру производства 99Мо. Сейчас исследовательский реактор в Канаде обеспечивает потребности США, реакторы в Европе обеспечивают потребности Европы и на этом, собственно говоря, все.
Меньше трех суток законы физики дают жить молибдену-99, чуть больше шести часов – метастабильному технецию-99. В результате, даже при наличии огромного желания, обеспечить потребности здравоохранения стран Азии, Южной Америки, Африки, огромных Индии и Китая просто физически невозможно. А онкологические заболевания не обращают внимания на государственные границы и уровень достатка, проблема их роста давно стала всемирной. Объективно получается, что единственный вариант результативного противодействия им – проект Росатома», основанный на «Аргусе».
«Аргус» в деле
А теперь давайте проследим всю цепочку действий медиков после того, как сорбционная колонка извлечена из «Аргуса». 99Мо получен, дальше его следует помещать в генераторы технеция – следовательно, будет совершенно разумно, если тем, кто приобрел «Аргус», будет поставлены и эти генераторы. Генераторы доставлены в медицинский центр и готовы к работе, получен технеций, что дальше?
Дальше нужно быстро и качественно приготовить на его основе радиофармпрепараты – значит, клиентам Росатома нужно предоставить и это оборудование. А затем настает время для проведения диагностических процедур. И будет совершенно нелогично, если оборудование для этого будущие клиенты Росатома будут искать у сторонних производителей. Следовательно, нужно уметь производить и всю линейку диагностирующей аппаратуры и, прежде всего, гамма-томографов (напомним, что 99mTc при переходе из своего метастабильного состояния испускает именно гамма-кванты). Рынок томографов основательно занят, не протолкнуться? Но в России есть наработки, позволяющие производить томографы с существенно улучшенным разрешением или в разы уменьшенным временем сканирования, но довести их производство до «поточного» уровня еще только предстоит.
Если результаты неутешительны и зафиксированы онкологические проблемы – требуется терапевтические мероприятия. А это уже изотопы других элементов и радиофармпрепараты на их основе. «Другие изотопы» производятся по «другим технологиям», но опять же не будет логично, если за ними медикам придется «идти на сторону». Изотопы изготавливают при помощи циклотронов – значит, нужны наши, российские циклотроны. Изотопы изготавливают при помощи ускорителей – значит, нужны наши, российские ускорители для медицинских целей. В конце концов, наш Электро-Химический Завод (ЭХЗ) уже обеспечивает 45% мирового рынка производства стабильных изотопов, так почему бы не побороться за такую же долю рынка производства изотопов короткоживущих?
В следующей статье мы бегло оценим, что будет собрано в «Русатом Хэлскеа». Нам кажется, что простого перечисления будет вполне достаточно, чтобы понять и масштаб предстоящей работы и то, что Росатому нужны молодые специалисты, причем много молодых специалистов.
Помните, некоторое время назад журнал «Геоэнергетика.ru» вслух удивлялся тому, что мы – взрослое поколение, позволяем всяческим навальным отвлекать нашу молодежь на всяческие глупости? Вот давайте и попробуем рассмотреть то, что так редко показывают наши телевизионные каналы – новейшие направления науки, причем науки «синтетической», поскольку это направление медицинское, ядерное и математическое одновременно. Посмотрим на направления в предстоящем развитии технологий, где нужны инженеры и конструкторы, специалисты по материаловедению, по металлургии и даже по … растениеводству.
Нет, это не описка, уважаемые читатели. Если уж наш атомный проект имеет, «что сказать» в таком искусстве, как медицина, то уж помочь нашим аграриям – да почему бы и нет! Будем бороться со стереотипами, договорились? Атомная энергетика и медицинские протезы, физики и медицинские стенты, атомщики и сосудистая хирургия, ядерщики и ожоги – все смешалось в доме на Ордынке…
Фото: alphacoders.com