Lò phản ứng nhiệt hạch có thể tạo ra các đồng vị y tế rất cần thiết – Physics World

Lò phản ứng nhiệt hạch có thể tạo ra các đồng vị y tế rất cần thiết – Physics World

Dấu thời gian: 16:2023 sáng ngày 4 tháng 00 năm XNUMX
Nút nguồn: 2223191

Cỗ máy của ánh sáng đầu tiên 3
Tối ưu hóa mục tiêu First Light's Machine 3 được sử dụng để phóng đạn ở tốc độ cực cao cần thiết để thử nghiệm các mục tiêu nhiệt hạch. Người kế nhiệm của nó, Máy 4, sẽ được sử dụng để tạo ra sự đánh lửa – một bước quan trọng hướng tới năng lượng nhiệt hạch tự duy trì. (Lịch sự: Sự kết hợp ánh sáng đầu tiên)

Khai thác sức mạnh của phản ứng tổng hợp hạt nhân để tạo ra điện là khát vọng lâu dài của cộng đồng vật lý. Một công ty đang hướng tới mục tiêu này có trụ sở tại Vương quốc Anh Hợp nhất ánh sáng đầu tiên, đang sử dụng một kỹ thuật gọi là phản ứng tổng hợp đạn để tạo ra một nhà máy điện nhiệt hạch quán tính đơn giản, chi phí thấp.

Năm ngoái đã xác nhận rằng công nghệ của họ có thể đạt được phản ứng nhiệt hạch, First Light hiện đang phát triển một thiết bị trình diễn thu năng lượng ròng, được gọi là máy 4. Và khi làm việc với công ty kỹ thuật Tây Ban Nha tôi IDO Để tối ưu hóa thiết kế lò phản ứng, nhóm nghiên cứu nhận ra rằng phản ứng tổng hợp đạn cũng có thể được sử dụng để sản xuất nhiều loại đồng vị y tế được săn đón.

Phản ứng tổng hợp giam cầm quán tính, một trong hai công nghệ nhiệt hạch chính đang được phát triển, hoạt động bằng cách nén một mục tiêu nhiên liệu nhỏ chứa hỗn hợp các đồng vị hydro. Ở nhiệt độ và áp suất đủ cao, phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra giữa deuterium và tritium trong mục tiêu.

Kỹ thuật tổng hợp quán tính phổ biến nhất – và cách tiếp cận của Cơ sở Đánh lửa Quốc gia lần đầu tiên chứng minh được năng lượng thu được từ phản ứng nhiệt hạch tháng 12 năm ngoái – sử dụng tia laser công suất cao để kích hoạt phản ứng tổng hợp. First Light đang phát triển một cách tiếp cận khác, trong đó đạn có tốc độ cao (và chi phí thấp) được bắn vào mục tiêu. Một bộ khuếch đại bên trong mục tiêu sẽ tập trung năng lượng của đạn, tạo ra sóng xung kích ép nhiên liệu đến mức nó trở nên nóng và đặc đến mức hợp nhất và giải phóng một xung năng lượng.

Phần lớn năng lượng được giải phóng bởi phản ứng tổng hợp là ở dạng neutron năng lượng cao. Năng lượng này được hấp thụ bởi một lớp lithium lỏng lót bên trong thành lò phản ứng và nhiệt có thể được chiết ra để tạo ra điện. Các neutron cũng được sử dụng để tạo ra tritium thông qua phản ứng với lớp phủ lithium lỏng.

Nick Hawker
Tập trung vào sự kết hợp Nick Hawker là Giám đốc điều hành và đồng sáng lập của First Light. (Lịch sự: Sự kết hợp ánh sáng đầu tiên)

“Trong khi trọng tâm chính của lò phản ứng ban đầu là sản xuất điện từ phản ứng nhiệt hạch, lò phản ứng First Light cũng sản xuất tritium để tự cung cấp nhiên liệu triti,” giải thích. Nick Hawker, Đồng sáng lập và Giám đốc điều hành của First Light. “Tritium được hầu hết các lò phản ứng nhiệt hạch khác sử dụng và đang thiếu hụt nguồn cung, vì vậy chúng tôi bắt đầu thay đổi thiết kế để xem liệu có khả năng sản xuất quá mức tritium hay không. Trong quá trình nghiên cứu này, Hawker giải thích, “chúng tôi cũng nhận ra rằng những neutron này có thể hữu ích cho việc sản xuất đồng vị”.

Đồng vị theo yêu cầu

Đồng vị phóng xạ được sử dụng rộng rãi trong y học cho nhiều ứng dụng chẩn đoán và điều trị. Phổ biến nhất là Technetium-99m (Tc-99m), sản phẩm phân rã của molypden-99 (Mo-99). Tc-99m được sử dụng trong hàng chục triệu quy trình y học hạt nhân mỗi năm, bao gồm chụp ảnh tưới máu cơ tim để chẩn đoán bệnh tim và quét để phát hiện và xác định giai đoạn ung thư.

Hiện tại, Mo-99 thường được chế tạo bằng cách sử dụng phương pháp sản xuất dựa trên phản ứng phân hạch ở một số lò phản ứng hạt nhân đã cũ và do thời gian bán hủy chỉ vài ngày nên nó không thể được lưu trữ. Do đó, nhu cầu ngày càng tăng về các phương pháp mới để sản xuất Mo-99 và các đồng vị y tế khác. Một cách tiếp cận là bắn phá hạt nhân của các nguyên tố ổn định bằng neutron năng lượng cao – chẳng hạn như neutron được tạo ra bởi lò phản ứng của First Light – khiến chúng biến đổi thành đồng vị phóng xạ cần thiết.

“Các neutron được tạo ra bởi phản ứng tổng hợp có năng lượng cao và dòng cũng rất cao. Điều này có nghĩa là có phạm vi rất rộng cho việc sản xuất đồng vị với phản ứng tổng hợp làm nguồn neutron,” Hawker giải thích. “Về lý thuyết, chúng tôi có thể tạo ra nhiều loại đồng vị khác nhau, bao gồm cả Mo-99.” Nhóm nghiên cứu cũng đã nghiên cứu các đồng vị được sử dụng để điều trị ung thư, bao gồm đồng-67, samarium-153, lutetium-177 và yttrium-90.

Phản ứng do neutron gây ra phụ thuộc vào năng lượng, với một số biến đổi cần neutron năng lượng cao. Vì lò phản ứng của First Light sẽ tạo ra neutron năng lượng cao 14 MeV, công ty có thể được hưởng lợi từ việc tạo ra các đồng vị có năng lượng phản ứng ngưỡng để sản xuất. Hawker nói: “Mặc dù hầu hết các đồng vị có thể được tạo ra bằng cách bắn phá neutron năng lượng cao, nhưng chúng ta phải tìm ra nơi chúng ta có thể cạnh tranh về mặt chi phí hoặc có lợi thế duy nhất”. Thế giới vật lý.

Hawker lưu ý rằng First Light ban đầu đã loại bỏ ý tưởng sản xuất đồng vị vì lớp phủ chất lỏng của lò phản ứng gây khó khăn cho việc đặt mẫu lên bức tường đầu tiên, nơi dòng neutron cao nhất. Tuy nhiên, đội nghiên cứu hiện đã thiết kế được một phương pháp kiểm soát đường đi của neutron xuyên qua tấm chăn, cho phép neutron thâm nhập và tập trung vào những vùng cụ thể nơi có thể đặt các thành phần sản xuất đồng vị.

Điều quan trọng là có thể đạt được điều này mà không ảnh hưởng đến khả năng sản xuất điện của lò phản ứng. Hawker giải thích: “Chúng ta có thể có một tấm chăn dày để sản xuất tritium và điện tốt, nhưng cũng cho phép neutron thoát ra trong một vùng tập trung (có thể di chuyển) để sản xuất đồng vị”. “Điều này có nghĩa là chúng ta có thể giải quyết cả ba cơ hội mà không cần phải thỏa hiệp nhiều.”

First Light tiếp tục hợp tác chặt chẽ với IDOM trong việc thiết kế buồng phản ứng và phát triển Máy 4, sẽ được đặt trong một cơ sở được xây dựng có mục đích tại Cơ sở Culham của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Vương quốc Anh ở Oxfordshire. Việc xây dựng dự kiến ​​sẽ bắt đầu vào năm tới và các hoạt động có thể sẽ bắt đầu vào năm 2027. Hawker cho biết: “Một khi hệ thống thực hiện các cú bắn năng suất cao, điều này có thể cho chúng tôi cơ hội thử nghiệm quá trình sản xuất đồng vị như một bằng chứng về nguyên tắc”.

Tầm nhìn của First Light về nhà máy điện nhiệt hạch
Tham vọng tột cùng First Light đang hướng tới việc tạo ra một nhà máy điện nhiệt hạch sản xuất khoảng 150 MW điện, đốt cháy cứ sau 30 giây và chi phí dưới 1 tỷ USD. (Lịch sự: Sự kết hợp ánh sáng đầu tiên)

Cách tiếp cận đã được chứng minh

First Light không phải là công ty duy nhất khai thác phản ứng tổng hợp để tạo ra đồng vị y tế. Công nghệ SHINE của Hoa Kỳ đang sử dụng công nghệ nhiệt hạch của mình để sản xuất đồng vị trị liệu lutetium-177 (Lu-177). SHINE đã bán Lu-177 thương mại lần đầu tiên vào năm 2020 và gần đây đã mở cửa hàng cơ sở sản xuất Lu-177 lớn nhất ở Bắc Mỹ tại trụ sở chính ở Janesville, WI. Công ty hiện cũng đang xây dựng một cơ sở sản xuất đồng vị y tế dựa trên phản ứng tổng hợp, Chrysalis, để sản xuất Mo-99.

Sản xuất đồng vị y tế là Giai đoạn 2 lộ trình bốn giai đoạn của SHINE hướng tới việc tạo ra năng lượng nhiệt hạch. Người sáng lập và Giám đốc điều hành của SHINE cho biết: “Những tiến bộ trong liệu pháp dược phẩm phóng xạ đã cho thấy kết quả tuyệt vời trong việc kéo dài cuộc sống của những bệnh nhân có thể không còn lựa chọn nào khác”. Greg Piefer. “Chúng tôi rất vui mừng được đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo những liệu pháp đột phá này đến với bệnh nhân nhanh hơn, có khả năng cứu sống hoặc kéo dài cuộc sống của hàng chục nghìn người mỗi năm.”

Piefer nói: “Chúng tôi tin rằng phản ứng tổng hợp có khả năng tạo ra các đồng vị để chẩn đoán và điều trị ung thư”. Thế giới vật lý. “Chúng tôi tự coi mình là những người tiên phong trong tầm nhìn đó và thật tuyệt khi thấy các công ty khác cũng quan tâm đến việc phát triển các giải pháp giúp giảm sự phụ thuộc của thị trường vào lò phản ứng.”

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý