05.08.2019

200 тысяч лет тому вперёд

Технеций – один из самых востребованных изотопов в ядерной медицине. его используют для диагностики онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний. Мировой рынок технеция оценивается в десятки миллиардов долларов. Росатом – один из поставщиков этого изотопа и покрывает 10% рынка, планируя наращивать своё присутствие. помимо ядерной медицины технеций важен и для атомной энергетики. так, из-за недостаточного знания свойств этого изотопа англичане 5 лет не могли ввести в эксплуатацию завод по переработке отработанного ядерного топлива и радиоактивных отходов. В чём уникальность технеция, какие свойства позволили ему получить такое широкое распространение в медицине и почему знание химии этого изотопа так важно для ядерной энергетики, «Вестнику Атомпрома» рассказал руководитель лаборатории технеция ИфхЭ РАН Константин Герман.

«Попытки использовать радиоактивные элементы в медицине предпринимались со времён открытия Марией Кюри в 1903 году полония и радия, – начал с краткого исторического экскурса Константин Герман. – Было очевидно, что радиоактивные изотопы обладают огромной энергией. Отсюда и возникла идея, что эту энергию можно передать в тело человека». Радий стали предлагать больным с разными заболеваниями, которые пили раствор с этим элементом, втирали крема с радием и даже принимали родоновые ванны, считая, что подобные процедуры способствуют оздоровлению. Позже обнаружилось, что вместо лечения воздействие радия на организм человека оказывает прямо противоположный эффект. Со временем учёные все же научились использовать радиоактивные элементы как для лечения, так и для диагностики. Для этого потребовалось целых полвека научных исследований и появление новых технологий. Сегодня ядерная медицина широко распространена во всём мире и является основным способом лечения онкологических заболеваний.

Дырка в таблице Менделеева
«Так сложилось, что с изучением технеция связана вся моя научная деятельность, – рассказывает Константин Эдуардович. – После окончания университета в 1980 году меня пригласили на работу в лабораторию академика Виктора Спицина заниматься химией технеция в группе Анны Кузиной, известного специалиста в ядерной физике. Она была женой Игоря Панасюка – аспиранта легендарного Игоря Курчатова – и первые десять лет своей научной деятельности провела на комбинате 817 (ныне ПО «Маяк»). Работой над технецием она занялась в 1956 году после возвращения в Москву». Как известно, пустые места в таблице Менделеева существовали с момента её создания. Академик Спицин пригласил Кузину к себе и показал на «дырку» в таблице, где должен был находиться технеций. К тому времени уже было известно, что такой элемент существует, но подробно его химию никто не знал. Перед группой была поставлена задача – найти способы получения технеция и формы, в которых он мог бы быть стабилизирован. Изначально работы велись в исключительно научных целях. Параллельно работы велись в Радиевом институте и во ВНИИНМ. В результате совместных усилий в СССР была создана технология получения технеция, что позволило изучить химию этого нового элемента, один из изотопов которого в дальнейшем получил широчайшее распространение в ядерной медицине. «Исследования показали, что у технеция несколько изотопов с совершенно разными свойствами, – продолжает глава лаборатории. – Первый – технеций-99. Долгоживущий изотоп с периодом полураспада порядка 200 тысяч лет. Считалось что на Земле его нет, но дальнейшие исследования показали, что технеций-99 в природе всё же существует, образуясь вследствие естественного распада урана и облучения нейтронами молибдена, а его количество составляет порядка 50 тонн. Это стабильная природная концентрация технеция на Земле, при этом выделить его из руды практически невозможно». Лишь после появления ядерной энергетики количество технеция-99 стало расти, так как он является побочным продуктом работы АЭС. На сегодня все атомные реакторы, работающие в мире, синтезируют порядка 12–15 тонн технеция-99 в год».

Рабочая лошадка
«Второй изотоп – технеций-99m, метастабильный. Его получают из молибдена-99, который, в свою очередь, производят путём облучения в реакторе мишеней из урана-238. Эта пара молибден-99 и технеций-99m оказалась очень удобной для создания так называемых генераторов изотопов, – констатирует Константин Герман. – Так, технеций можно получить, просто пропуская через молибден чистую воду с добавлением 0,9% NaCl. У технеция-99m очень богатая химия, благодаря чему этот изотоп имеет самое большое по сравнению с другими элементами количество валентных состояний, или, иными словами, самую высокую способность к образованию химических связей». Это свойство позволило широко использовать технеций-99m в медицине для диагностики онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний. Его даже стали называть «рабочей лошадью» ядерной медицины. Изотоп помещается в органическую оболочку, снаружи которой прикрепляется таргетное соединение, которое связывается с той или другой тканью в организме, определяя наличие опухолей и их опасность. Так, злокачественные опухоли активно размножаются, что при соединении с технецием отображается на томографе в виде более высокой интенсивности излучения, чем у здоровых органов. По такому же принципу диагностируются метастазы. Технеций-99m имеет очень мягкое излучение, всего в 100 кэВ, но его достаточно, чтобы датчики томографа его чётко фиксировали, определяя точное местонахождение опухоли в организме.

Случайное открытие
История открытия возможности применения технеция-99m в медицине такова. Американские учёные Бойд и Роберт в 50-х годах прошлого века совершенно случайно пропустили раствор радиоактивного йода через оксид алюминия и обнаружили наличие некой активности. «Так был открыт молибден-99 и продукт его полураспада технеций-99m, я считаю это настоящим открытием, – убеждён российский учёный. – Ведь именно наличие молибдена, живущего в 10 раз дольше технеция, позволяет образовать радионуклидную пару, которую затем можно использовать для создания изотопного генератора». Прототип первого подобного генератора был создан в 1958 году, когда два других американских учёных – Ричардс и Такерс – впервые решили попробовать использовать технеций для диагностики. Технеций по размеру близок к йоду, который, как было известно, концентрируется в щитовидной железе. Сделав инъекцию чистого технеция без таргетного соединения, учёные обнаружили, что их предположение оказалось верным, и изотоп сконцентрировался в щитовидной железе, которая начала светиться. Эксперимент оказался удачным, и с тех пор технеций стал применяется в этом качестве во всех развитых странах мира.

Изотоп, остановивший завод
Изучение свойств технеция необходимо не только для возможности использовать его в медицине. Из-за своей высокой химической активности этот изотоп способен оказывать сильное влияние, вмешиваясь в технологию разделения продуктов ОЯТ. И последствия такого вмешательства могут иметь промышленные масштабы. «В Англии, в городе Селлафилд, в 1980-х годах был построен завод Thorp, предназначенный для переработки ОЯТ, – рассказывает Константин Эдуардович. – Согласно технологии, облученное топливо растворяли, после чего требовалось разделить выделенный из него уран и плутоний за счёт экстракции трибутилфосфатом. На первой стадии трудностей не возникало, а вот с разделением урана и плутония возникли проблемы, из-за которых завод не могли запустить в течение пяти лет». После долгих исследований выяснилось, что всему виной был технеций-99, являющийся побочным продуктом деления и выступавший в роли катализатора. Этот изотоп ввиду своей высокой каталитической активности вмешивался в технологический процесс, разрушая восстановитель и не давая разделить уран и плутоний. В дальнейшем этот завод был закрыт, так как его конструкция ограничивала возможности корректировать технологические процессы, в отличие от советских заводов по переработке, базирующихся на «подвижных» технологических решениях. На французских заводах по переработке подобных проблем с разделением урана и плутония не возникало, но и там технеций доставил учёным немало трудностей. Так, проводя массбаланс, французы с удивлением обнаружили, что в ходе технологического процесса масса технеция увеличивается со 100% на входе до 110% на выходе, факт, который они не могли объяснить, так как это противоречило закону сохранения массы. В итоге им пришлось обратиться за помощью к российским специалистам по химии технеция. «В 1995 году для решения этой задачи я вместе с шестью коллегами поехал во Францию, в город Баньоль сюр Сез на завод Маркуль, где проработал 3 года, – рассказывает Константин Герман. – За это время нам удалось разобраться, что же происходило с технецием на французском заводе. Масса с точки зрения химии – это концентрация, умноженная на объём. Концентрацию технеция они измеряли идеально, но ошибались с измерением объёма. В итоге мы смогли исправить расчёты, и массбаланс на Маркуле был сведён».

Металлический технеций
На изотопном заводе, расположенном на «Маяке», в 1980–1990-х годах разрабатывались технологии получения металлического технеция с использованием ионообменных смол. «Собственно, этими вопросами занимались три организации: Радиевый институт, наш ИФХЭ и ПО «Маяк», при этом все работы курировались и главком Минсредмаша, – продолжает российский учёный. – В то время рассматривалось несколько вариантов применения металлического технеция. Первый – это источник мягкого бетта-излучения для получения фотографий тонких материалов. Взяв фотопластину, положив на неё сверху тонкий конденсатор или денежную купюру и поместив сверху пластинку технеция, через 30 минут можно снять фотопластинку и, проявив её, увидеть, есть ли дефекты в конденсаторе или насколько ровные водяные знаки на купюре, определив при этом её подлинность». Из металлического технеция также изготавливали полусферы и прикладывали к глазам, для лечения воспалительных процессов. Такой метод применялся, в частности, в клинике Фёдорова в Москве. Одним из предложений было использование металлического технеция в качестве покрытия внутренней поверхности трубопроводов подводных лодок, где циркулирует вода, охлаждающая реактор, выводя тепло наружу. «Такое покрытие решило бы проблему зарастания трубопроводов ракушками, так как излучение технеция отпугивало бы моллюсков, – уточняет Константин Герман. – Мы разработали специальную технологию для изготовления и нанесения подобного покрытия, но в итоге она оказалась невостребованна».

Вечная батарейка
Молибден-99 – продукт распада урана, как и технеций-99m, присутствуют в ОЯТ, однако из энергетических реакторов их получить невозможно, так как за время, необходимое для выгрузки топлива из реактора и его охлаждения, эти элементы распадаются. В ОЯТ остаётся лишь технеций-99, и его судьба – захоронение или трансмутация. Учитывая, что период полураспада этого изотопа составляет 200 тысяч лет, цена всего комплекса работ – утилизации, захоронения и обслуживания хранилища – высока. Но есть и другой путь – найти применение этому изотопу. Один из способов – использовать технеций-99 как практически вечный источник энергии. «Например, если мы возьмём 100 кг технеция, доставим его на Луну, установим, окружив термозащитой, то имея снаружи температуру в 4 градуса по Кельвину, мы получим практически вечный источник тока порядка 1 Вт, – рассказывает учёный. – При необходимости его можно использовать для аварийного пуска компьютера или подзарядки аккумуляторов в случае выхода из строя солнечных батарей и других источников энергии».

Научная алхимия
Но самый перспективный путь – трансмутировать технеций-99 в другой элемент, который затем использовать. Так, поместив технеций-99 в атомный реактор, можно получить из него стабильный рутений – благородный, дорогостоящий металл платиновой группы, причём моноизотопный, что даёт широкие возможности для его применения в лазерной технике и в полупроводниках. «Как я уже говорил ранее, в мире ежегодно в качестве побочного продукта работы АЭС синтезируется 12–15 тонн технеция, который можно было бы трансмутировать таким методом, – продолжает Константин Герман. – Мы с профессором Перетрухиным изготовили специальную мишень из металлического технеция, и совместно с работниками НИИАР облучили её в Дмитровограде, в реакторе СМ-4, получив полную картину процесса и все необходимые характеристики для реализации этого проекта. Но на сегодняшний день такая технология нерентабельна. Всё упирается в стоимость одного нейтрона. Поэтому для подобных целей можно использовать реакторы БН, где реакция происходит с избытком нейтронов, что значительно повысит рентабельность. Этой идеей «болеют» учёные многих стран, но пока только российские специалисты приблизились к её практическому осуществлению».