计划建立橡树岭实验室设施,以满足美国日益增长的医用放射性同位素需求

有些人开玩笑说,你不能相信原子,“因为它们构成了一切”。事实是,许多医生和癌症患者已经学会信任某些放射性原子,因为它们能够通过杀死癌细胞来有效地治疗潜在的致命疾病。

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图为艺术家对放射性同位素处理设施的3D渲染图,该设施可能位于梅尔顿谷路,靠近高通量同位素反应堆 (HFIR)


它们被称为放射性同位素。放射性同位素是一种化学元素的不稳定形式,当它衰变并变得更稳定时会释放辐射。一些放射性同位素被用来为美国宇航局的航天器提供动力。另一些则用于无损检测以便确认早期缺陷并修复,以帮助确保飞机、桥梁和水坝的安全运行。


不幸的是,美国大约有100种有用的放射性同位素不是美国制造的。其中大多数来自俄罗斯,还有一些是从澳大利亚、欧洲和南非运来的。


Strata-G LLC的核设施运营专家Rob Peacher,同时也是橡树岭国家实验室理事会的兼职顾问,在他最近与ORNL之友的谈话中说道:美国能源部的目标是减少美国对外国同位素供应商的依赖。


他补充说,好消息是,美国能源部的科学办公室正在资助ORNL放射性同位素处理设施(RPF)的设计和未来建设。RPF旨在帮助满足美国对高优先级放射性同位素日益增长的需求。RPF计划于2032年开放。这将是自20世纪60年代以来,美国能源部科学办公室及其前身原子能委员会在ORNL建造的第一个新的非反应堆核设施。


ORNL的Mike Farrar是RPF项目的主管。放射性同位素处理包括化学、热能或物理过程来分离、隔离或提炼放射性同位素,或在特定的放射性同位素中富集某一元素。

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Rob Peacher接受ORNL之友的采访。Carolyn Krause


Peacher表示,ORNL的非反应堆核设施可以远程处理放射性同位素和核燃料等核材料,他构思并开发了高度灵活的RPF设计。他补充说,今夏稍后将向公众提交一份环境评估报告,明年将采购模块化热室,并可能开始为该设施进行场地准备。


高通量同位素反应堆(HFIR)是ORNL唯一运行的反应堆,也是西方世界Cf-252的唯一供应来源,这种同位素用于测井、工业扫描和启动核反应堆。Cf-252还被用于治疗癌症和探测爆炸物,但后来被Ac-227(一种有效的前列腺癌治疗方法)和Ni-63(爆炸物探测)所取代,这两种物质目前都是在HFIR生产的。


自2015年以来, HFIR一直通过用中子照射氧化镎,增加Pu-238的供应,为美国宇航局未来的太空任务提供动力。来自HFIR的Pu-238正在为探索火星的毅力号火星探测器提供动力。


Peacher说,为了满足美国研究机构和政府机构对美国制造的放射性同位素日益增长的需求,以满足美国医疗、工业、研究和国家安全的需要,ORNL被赋予了主导地位。


他说,该战略将提高目前的处理能力,以充分利用HFIR辐照额外靶材的能力,并在RPF投入运行后利用ORNL现有的专业知识和工艺。该实验室拥有放射性同位素、放射化学、核设施操作、运输和放射性废物处理的专业知识和流程。


Peacher补充说:“ORNL已经检查了所有问题。RPF将提供目前在HFIR辐照靶材所缺乏的处理能力。对于已有58年历史的ORNL反应堆,更换其压力容器和铍中子反射器的计划应该会大大延长HFIR的使用寿命”。


Peacher提到,1946年ORNL研究主任及后来的诺贝尔奖获得者Eugene Wigner,通过石墨反应堆生产了第一批以医疗为目的的放射性同位素C-14,送给圣路易斯癌症医院的院长。根据ORNL网站的数据,在接下来的五年里,该实验室向医疗和研究机构运送了2万多批放射性同位素。后来,政府将放射性同位素的生产移交给了商业部门。随着反应堆的关闭,其放射性同位素的产量下降了。

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Rob Peacher接受ORNL之友的采访。Carolyn Krause


Peacher说,在20世纪60年代,ORNL拥有13个反应堆和至少10个核设施。现在该实验室只有一个反应堆-HFIR和五个核设施,包括放射化学工程发展中心,该中心将补充新的RPF而不是取代。


除了RPF之外,美国稳定同位素生产和研究中心(SIPRC)将帮助ORNL在2030年成为美国最大的稳定同位素和放射性同位素生产商,该中心目前正在利用美国能源部的资金在主实验室园区内建造。它将扩大国家富集稳定同位素的能力,用于医疗、工业、研究和国家安全用途——这也是橡树岭实验室从1945年到1998年,利用Y-12国家安全综合设施所展现的能力。Peacher表示,SIPRC将使用先进的电磁分离和气体离心机设备,将一些浓缩的稳定同位素在HFIR中进行辐照,以制造放射性同位素。


RFR处理9种所需的任务同位素

他说,RPF将处理9种所需的任务同位素,这些同位素将在HFIR生产。它们是:

• Th-229,用于癌症的靶向α治疗(Ac-225和Bi-213的母体);

• Ir-192,用于工业辐照和医疗应用;

• Ac-227,用于癌症的靶向α治疗(Ra-223和Th-227的母体);

• Gd-153,用于骨密度测量;

• Sr-90,用于航天器的放射性同位素电源和癌症治疗(Y-90的母体);

• P-33,用于医学和生物学研究;

• Pm-147(在ORNL首次发现),用于放射性同位素电源和工业测量;

• C-14,用于医学、生物学和农业科学研究;

• 以及一种尚未确定的放射性药物癌症治疗方法, 根据美国食品和药物监督管理局(FDA)现行的良好生产规范(cGMP)进行处理。


Peacher说,“RPF可以针对这9种高优先级的放射性同位素提供额外的处理能力,以满足任务的灵活性需求。”


RPF将有两层,占地面积约为52,000平方英尺。与传统热室的层层混凝土墙屏蔽不同,这个现代化的设施将拥有8个模块化的热室区,每个可容纳一系列3到5个模块化热室,称为三包、四包和五包。它们可以在场外或现场组装,并且是便携式、多功能的,四面都有钢或铅确保良好的屏蔽。


它们每个都将有一对用于在高辐射环境中远程工作的遥控机械手,一个大型铅玻璃窗,一个附加的手套箱,高度可配置的选项,一个后方屏蔽访问门,快速传输端口和大的内部空间。RPF将安装消防系统以及将HFIR产品桶从卡车转移到模块化热室的系统。


Peacher说:“该建筑将在一楼有三包、四包和五包模块化热室,在二楼有公用设施和支持空间。”他开玩笑说,在设施完工并上线之前,他不会为项目团队提供六包热室。RPF将设有控制室、更衣室、会议空间、质量保证的分析实验室和可移动墙壁。预期RPF将有大约100名工作人员。


Peacher说,要弄清楚同时可以加工多少额外的放射性同位素(有时使用危险化学品),以及在美国能源部广泛的DOE核安全要求下,RPF的年产量可以达到多少,这将是一项“多因素兼顾的举措“。


Peacher说,由于9种放射性同位素中的许多将用作治疗药物,该设施将拥有洁净室环境,以满足FDA为生产供人使用的医用同位素而制定的良好生产规范(GMP)的规定。严格的cGMP监管标准旨在确保药品的高质量和无污染,因为消费者期望他们服用的药品是安全、有效和值得信赖的。