Андрианов Ядерные технологии история, состояние, перспективы 2012

следующим образом: Германия − 40 %; Франция − 15 %; Великобритания − 8 %; Испания − 8 %; остальные страны − 18 %.

В Австралии с населением 19 млн. человек ежегодно выполняется около 430 тыс. ядерно-медицинских процедур с применением изотопов; ожидается, что к 2010 г. их количество увеличится до

1,5 млн.

По оценкам МАГАТЭ, оборот в продаже диагностических препаратов к началу XXI века в целом в мире составлял около $20 млрд. и к концу первого десятилетия XXI века должен был увеличиться до $26,5 млрд. Примерно 10 % оборота приходится на радиофармапрепараты для радиоиммуного анализа. Одним из показателей использования ядерных методов в медицине может служить число наиболее распространенных устройств – гамма-камер для сканирования: по данным МАГАТЭ, в развитых странах на 1 млн. человек в среднем приходится 20 гамма-камер, в развивающихся странах – 0,8.

Диагностическое и терапевтическое использование медицинских изотопов в онкологии, ревматологии, хирургической кардиологии в последнее время значительно расширяется благодаря разработке и исследованию новых видов радиофармапрепаратов специфического действия. Перспективным является лимфосцинтиграфия, как метод диагностики, который с использованием радиоактивного индикатора позволяет определить пораженные опухолью лимфатические узлы у больных раком молочной железы и кожи. Следует отметить развитие радиоизотопной иммуносцинтиграфии на основе моноклональных антител и пептидов, специфичных к различным патологическим процессам, например, метод противораковой терапии с использованием α-генератора на основе изотопа 213Вi, присоединённого к моноклональному антителу для разрушения раковых клеток при лейкемии.

Ценность достижений в области ядерной медицины заключается в выявлении заболеваний, не диагностируемых другими методами, на ранней стадии, когда возможно излечение, а также в улучшении состояния и продлении жизни тяжелобольных пациентов. В большом числе случаев применение радиотерапии помогает сохранить жизнь пациентам с такими заболеваниями, как опухоли головного мозга, лимфома, лейкемия, когда другие средства неэффективны.

91

Дальнейшие развитие радиоизотопной диагностики и терапии связано с увеличением производства и расширением номенклатуры изотопов медицинского назначения, особенно короткоживущих радиоизотопов.

Радионуклиды для ядерной медицины и соответствующие радиофармацевтические препараты на их основе классифицируют по отдельным группам как диагностические и терапевтические.

Вдиагностике радионуклиды и радиофармапрепараты (РФП) используются для получения изображений и биохимического анализа. Основными методами диагностики с использованием радиоактивных изотопов для получения изображений являются однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ), пози- тронно-эмиссионная томография (ПЭТ), биохимический анализ. Томографические методы основаны на регистрации γ-излучения радионуклидов, введенных в организм человека в составе радиофармапрепарата внутривенным, пероральным или ингаляционным способом. Компьютерная обработка информации о распределении активности показывает перенос нуклидов в организме человека и его накопление в каком-либо органе.

Вотличие от рентгеновского изображения, передающего только анатомическое строение, использование радионуклидов позволяет получить пространственное изображение органов, твердых и мягких тканей и изучать специфические физиологические или биохимические процессы и функционирование отдельных органов. Метод радиоимунного анализа, не требующий облучения самого пациента, является разновидностью биохимического лабораторного анализа с использованием радиофармапрепаратов.

Радиотерапия применяется как в качестве самостоятельного метода, так и в сочетании с другими, неядерными методами лечения. Использование радиоизотопов, доставляемых непосредственно к пораженному органу, позволяет локализовать облучение, уменьшая воздействие на соседние ткани. Одни и те же радионуклиды могут использоваться в диагностике и радиотерапии. Для примера приведены основные изотопы, используемые в гамма-диагностике

(табл. 2.9).

92

Таблица 2.9

Основные изотопы, используемые в гамма-диагностике

2.6.4. Радиоизотопы в промышленности

Появление современных технологий применения радиоизотопов в различных отраслях промышленности способствует увеличению производительности, и делает доступным получение важной информации, которая не могла быть получена ранее с использованием каких-либо других технологий.

В последнее время радиоактивные изотопы получили широчайшую область применения в промышленности. Герметичные радиоактивные источники используются в промышленной рентгенологии и для различных измерений, например, для анализа состава минералов в почве. С помощью короткоживущих радиоактивных материалов выявляют протечки трубопроводов. Большой популярностью пользуется метод стерилизации гамма-лучами, с помощью

93

которого стерилизуют медицинское оборудование, некоторые товары массового потребления, в частности, используют этот метод для консервирования продуктов питания.

Ядерные технологии наиболее эффективно применяются в промышленности и деятельности, связанной с безопасностью и охраной окружающей среды. Ядерные технологии с помощью большого количества используемых радиоизотопов дают возможность непрерывного анализа и быстрого доступа к важной информации, что гарантирует получение достоверного потока аналитических данных. Результат этого – снижение затрат и увеличение качества выпускаемой продукции.

Источники ионизирующего излучения используются в промышленности для:

•оптимизации и повышения эффективности производственных процессов;

•диагностики проблем, возникающих в ходе производственных процессов;

•контроля оборудования с помощью неразрушающих методов анализа;

•анализа состава и структуры материалов;

•обработки материалов в полях высокоэнергетического излучения в целях стерилизации и модификации свойств;

•оценки воздействия промышленных процессов и инфраструктуры городов на окружающую среду и разработка корректирующих действий.

Область применения и перечень наиболее часто употребляемых

впромышленных технологиях радионуклидов приведены в табл. 2.10.

Внастоящее время аналитические методы контроля с использованием радиоизотопных источников являются неотъемлемой частью многих технологических процессов во многих отраслях промышленности (химической, металлургической и др.). Свыше сорока радиоизотопов применяются в промышленности для анализа и контроля технологических процессов; для определения скорости движения материалов в трубопроводах; для обнаружения утечки, износа, коррозии; для контроля загрязнения окружающей среды; для исследования грунтовых вод (их происхождения, механизма и скоро-

94

сти пополнения, движения и запаса); образования снега и льда; динамики рек и озер; с процессов движения донных отложений.

Таблица 2.10

Область применения и перечень наиболее часто употребляемых в промышленности радионуклидов

Технологическая и экономическая эффективность применяемых в промышленности методов меченых атомов (метода изотопных индикаторов) свидетельствуют о возможности дальнейшего расширения использования радиоизотопов в этом виде контрольноизмерительной техники (табл. 2.11).

Наиболее широкое практическое применение облучательная техника нашла в двух областях: в модификации полимеров и стерилизации медицинской продукции. Кроме того, облучательная техника может использоваться для обработки пищи, химического синтеза, производства биоматериалов, защиты окружающей среды и др. (табл. 2.12).

95

96

Таблица 2.12

Промышленные процессы радиационно-химической и радиационно-биологической обработки

97

Радиоизотопные источники энергии. Радионуклидные источ-

ники ионизирующего излучения успешно используются в качестве радиоизотопных источников энергии. В радиоизотопных источниках используется энергия естественного распада радиоактивных изотопов. Для этого применяются устройства различного конструктивного исполнения, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электроэнергию.

Радиоизотопные источники энергии применяются там, где необходимо обеспечить автономность работы оборудования, значительную надёжность, малый вес и габариты. В настоящее время основные области применения – это космос (спутники, межпланетные станции и др.), глубоководные аппараты, удаленные территории. В большинстве случаев для источников питания требуются большие активности долгоживущих радионуклидов (табл. 2.13).

Таблица 2.13

Применяемые и перспективные радионуклиды для источников энергии

2.6.5. Неэлектрическое использование ядерной энергетики

В настоящее время практически вся энергия ядра используется для производства электроэнергии. Тем не менее, непосредственно при делении ядер происходит выделение тепла, которое лишь пройдя дополнительные технологические стадии, преобразуется в электричество. Это тепло представляет самостоятельную ценность

98

с точки зрения возможности его энергетического применения, поскольку может быть использовано для опреснения воды, централизованного теплоснабжения, производства водорода, приведения в движение транспортных средств и других приложений. Следует отметить, что в настоящее время промышленное использование тепла, производимого ядерными установками, представляет собой одно из наиболее многообещающих направлений неэлектрического использования ядерной энергии (рис. 2.40).

Многие авторитетные международные экспертные группы, в частности Межправительственная группа экспертов по климатическим изменениям, полагают, что ядерная энергия, обеспечивающая в настоящее время около 6 % первичной энергии, могла бы уже в ближайшем будущем внести значительный вклад в производство тепла и электроэнергии, свободное от эмиссии парниковых газов. В настоящее время менее 1 % тепла, производимого в ядерных реакторах, используется в других областях. Однако существуют обширные возможности применения тепловой ядерной энергии, степень важности которых может значительно повлиять на будущее распространение программ ядерной энергетики.

К настоящему моменту промышленно освоены два способа применения тепла, производимого ядерными системами: централизованное теплоснабжение и опреснение воды. Другим наиболее перспективным способом применения ядерного тепла является синтез топлива, включающий, в частности, производство водорода.

Сейчас около 40 % всей первичной энергии в мире используется для производства электроэнергии, остальная часть используется главным образом для транспортных целей (порядка 18 %) и производства бытового и промышленного тепла (порядка 42 %).

В 2004 г. при производстве электроэнергии в атмосферу поступило около 10 Гт CO2, что составило 27 % всех антропогенных выбросов CO2 в мире. На долю автомобильного транспорта в 2004 г. пришлось около 13 % всех выбросов CO2. Эти цифры показывают, что повышение использования ядерной энергии для неэлектрических областей применения могло бы сыграть важную роль в снижении выбросов CO2 в текущие десятилетия.

Специфика централизованного теплоснабжения связана с отсутствием больших распределительных сетей для передачи тепла от

99

производителя к потребителям. В связи с этим модульные реакторы малой и средней мощности представляют собой наиболее подходящий вариант для промышленных областей применения тепла.

Представляется особенно перспективным комбинированное производство тепла и электроэнергии. Данная концепция не является новой, поскольку некоторые из первых в мире гражданских реакторов использовались для подачи как тепла, так и электроэнергии. К их числу следует отнести первый в Великобритании реактор «Колдер Холл», обеспечивающий подачу электроэнергии в сеть и тепла на установку для регенерации топлива в 1956 г.; станцию «Агеста» в Швеции, которая обеспечивала горячую воду для централизованного теплоснабжения пригорода Стокгольма в 1963 г., и первую в мире АЭС в СССР, выдававшую в качестве конечного продукта электроэнергию и тепло в г. Обнинск в 1954 г.

Примерно 85 % использования энергии в промышленном секторе связано с энергоемкими отраслями промышленности: сталелитейной, цветной металлургии, химической (производство минеральных удобрений, очистка нефти), горнодобывающей (цемент, известь, стекло и керамика), целлюлозно-бумажной. Существуют достоверные данные по глобальным выбросам CO2: для металлургической (6 % от общего количества выбросов), цементной (5 %), целлюлознобумажной (1 %) промышленностей и цветной металлургии (0,35 %).

Основными неэлектрическими применениями ядерной энергии

вбудущем принято считать:

•централизованное теплоснабжение;

•опреснение воды (рис. 2.41);

•технологическое теплоснабжение;

•использование в судоходстве;

•использование в космических целях;

•производство водорода;

•угольная газификация и производство других синтетических топлив;

•добыча нестандартных нефтяных ресурсов и др.

Анализ потенциала рынка неэлектрических применений ядерной энергии ведет к определенным выводам.

100