Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Центры ядерных исследований и технологий основные требования, существующий статус и перспективы развития. Учебное пособие
.pdf
41
ряют в стерильном растворителе. Растворителем в процессе приготовления РФП является раствор РН, т.е. растворитель в данном случае содержит основное действующее начало.
Выделение РН из мишени, синтез РФП должно занимать как
можно меньше времени из-за радиоактивного распада РН и требований радиационной защиты персонала. Как правило, это время не
должно превышать трёх периодов полураспада РН.
Классификация РФП
Радиофармпрепараты в соответствии с химическим строением и
биохимическим поведением можно также разделить на три группы:
1. Истинно меченые соединения, полностью идентичные при-
родным, находящимся в организме человека (РФП, меченные радионуклидами 15O, 11C, гормоны щитовидной железы, меченные йодом
и др.).
2. Вещества-аналоги, которые похожи по химическому строе-
нию и биохимическому поведению на вещества-прототипы, но радиоактивная метка в которых является атомом постороннего элемента (йод-гиппуровая кислота, 2-фтор-2-дезокси-D-глюкоза).
3. Ксенобиотики, строение которых отлично от строения при-
родных веществ (например, хлорид таллия, пертехнетат натрия и
др.).
Радионуклиды в составе РФП используются в столь малых коли-
чествах, что не могут нанести вреда здоровью человека. По этим же
причинам радионуклидные исследования не нарушают функции обмена веществ.
По своим функциональным свойствам РФП могут быть разде-
лены на физиологически тропные и инертные. Первые позволяют
наблюдать динамику их распределения в организме и проводить
морфологические исследования, начиная с момента более или менее
стабильного накопления РФП в исследуемом органе. Вторые, которые часто называют индикаторами транзита, используются для исследования перфузии.
Согласно современным представлениям оптимальный РФП дол-
жен отвечать перечисленным ниже требованиям.
1. Поведение РФП в организме должно отражать патологические
изменения.
42
2. Радионуклид должен находиться в форме стабильного химиче-
ского соединения с необходимыми биологическими свойствами и
высокой радиохимической чистотой.
3. Радиофармпрепарат должен обладать высокой специфично-
стью к поглощению, фиксации, участию в физиологических процессах в критическом органе настолько, чтобы окружающие органы и
ткани не влияли на изображение исследуемого органа (максимальное отношение активностей орган/фон) и не подвергались неоправданному облучению.
4. Радиофармпрепарат не должен перераспределяться в течение
времени исследования.
5. Желательно отсутствие накопления РФП в отдаленных от па-
тологического очага органах. Локализация препарата в дальнем органе не мешает лечению или проведению исследований и не отражается на получаемой информации, но создает ненужные дополнительные лучевые нагрузки на организм.
6. Препарат должен выводиться из организма за время, сопоста-
вимое со временем исследования или лечения. Скорость выведения
РФП (характеризуемая биологическим периодом полувыведения)
влияет на лучевую нагрузку. Например, препараты с изотопами
197
Hg (T
1/2
= 64,1 ч, Eγ = 77 кэВ) и
197m
Hg (T
1/2
= 23,8 ч, Eγ = 134 кэВ),
очень привлекательные в отношении изучения патологии мозга,
дают высокую лучевую нагрузку на почки, прочно связываясь с эпителием на несколько суток.
7. Диагностические тропные РФП должны конкурировать с эндо-
генными соединениями в процессах метаболизма.
8. Радионуклид должен обладать излучением с достаточной про-
никающей способностью, которое можно зарегистрировать внешним детектором, поэтому следует использовать γ- или β+-излучающие радионуклиды. Чувствительность общепринятых детекторов
обусловливает оптимальную область энергии γ-излучения от 100 до
300 кэВ (при ПЭТ регистрируются γ-кванты с энергией 511 кэВ).
9. Период полураспада РН должен соответствовать продолжи-
тельности исследований, однако его значение должно быть минимальным, чтобы уменьшить лучевую нагрузку.
Перечисленные требования относятся, прежде всего, к показате-
лям фармакокинетики РФП, которые устанавливаются в период доклинических исследований и уточняются в процессе клинических
43
испытаний. В процессе испытаний и рутинном использовании препарата эти показатели должны гарантироваться химическим составом и результатом контроля качества РФП, регламентированным в
конкретной фармакопейной статье (ФС).
Таким образом, основными характеристиками РФП являются:
- биологическое поведение;
- ядерно-физические свойства РН;
- фармацевтическая характеристика;
- доступность.
Доступность РФП определяется методом получения РН, характе-
ром препарата и его стоимостью. Реакторные или генераторные РН
относительно дешевы, циклотронные - дороги. Желательно, чтобы
РФП был недорогим и несложным в изготовлении. Радиофармпрепараты поступают в лечебно-диагностические учреждения как в
виде готовых к применению форм (централизованные поставки), так
и в виде стандартных наборов (kits) для приготовления РФП на основе генераторных РН непосредственно на месте применения.
1.2.3.3 Ядерное легирование кремния
Общие принципы ядерного легирования кремния
В обычных металлургических методах легирования электриче-
ски активные примеси, определяющие электрофизические свойства
полупроводниковых материалов, вводятся извне через расплав на
стадии формирования монокристаллических слитков. При этом достаточно однородное по объему слитков введение точно заданной
концентрации примеси является трудно контролируемым процессом из-за ряда факторов, которые в настоящее время хорошо известны, но устранить их влияние пока не удается [11].
В случае ядерного легирования [12] нужные примеси не вводятся
извне, а создаются непосредственно внутри предварительно выращенного слитка в результате ядерных превращений атомов матрицы
под действием облучения. При этом вид примеси и ее распределение
определяются видом излучения и его энергетическими параметрами.
В принципе ядерные превращения возможны под влиянием лю-
бого излучения. Однако при использовании, например, γ-излучения
и заряженных частиц (протоны, α-частицы и другие) ядерные реакции эндоэнергетичны и могут протекать только при энергии частиц
44
или γ-квантов выше соответствующего порогового значения. Кроме
того, проникающая способность заряженных частиц мала, что позволяет легировать с их помощью лишь тонкие слои материала.
Наибольший интерес для ядерного легирования представляют
реакции под действием нейтронов, так как, во-первых, эти реакции
экзоэнергетичны и могут иметь место при любых энергиях нейтронов, причем вероятность захвата нейтронов тем выше, чем меньше
энергия нейтронов. Во-вторых, будучи незаряженными частицами,
нейтроны характеризуются большой проникающей способностью,
что обеспечивает легирование больших объемов материала, и, в-третьих, доступны источники медленных нейтронов с требуемой интенсивностью, например, ядерные реакторы. В таблице 9 приведены
соответствующие ядерные превращения для четырех типичных полупроводниковых материалов, для которых в настоящее время ядерное легирование имеет, хотя и в различной степени, практическое
значение.
Технология ядерного легирования кремния
Наиболее перспективным и востребованным в мировой практике
методом получения высококачественного полупроводникового
кремния для силовой электроники является метод ядерного
(нейтронно-трансмутационного) легирования.
В основе технологии ядерного легирования кремния лежит
ядерная реакция (n,γ), протекающая в объеме монокристалла кремния при захвате изотопом 30Si теплового нейтрона с образованием
стабильного изотопа фосфора 31P:
(1)
Однороднолегированный кремний необходим также при разра-
ботке и производстве мощных серийных тиристоров на пробивные
напряжения не менее 3,5 кВ, сверхмощных запираемых тиристоров
на 3000 А и 4500 В, биполярно-полевых транзисторов с изолирован-
ным затвором (IGBT), быстровосстанавливаемых диодов (БВД) и
других силовых приборов нового поколения.
P
ч
SinSi
313130
62,2
),(
−
45
В качестве источников медленных нейтронов для ядерного леги-
рования, в принципе, могут использоваться радиоактивные источники, ускорители заряженных частиц и ядерные реакторы на тепловых нейтронах. Однако наиболее подходящими по интенсивности и
энергии нейтронов источниками являются ядерные реакторы, основанные на использовании деления ядер урана.
Обычно каждый конкретный реактор характеризуется опреде-
ленным отношением количества медленных нейтронов, представляющих интерес для ядерного легирования, к количеству быстрых
нейтронов, создающих радиационные дефекты. В зависимости от
конструкции активной зоны и наличия различных устройств, в частности экспериментальных каналов, это отношение может изменяться в значительных пределах и внутри одного реактора. Вообще
же, чем больше это отношение, тем мягче нейтронный спектр, тем
более благоприятные условия имеются для ядерного легирования.
Такая ситуация в первую очередь реализуется в тяжеловодных реакторах или реакторах с графитовым замедлителем. В работе [12] подчеркивается, что эти реакторы обладают и другим важным преимуществом, а именно, они имеют более протяженный участок с равномерным распределением плотности потока. С точностью 5-10% в тяжеловодном реакторе можно считать постоянной плотность потока
нейтронов на длине около 1000 мм, а в легководном реакторе на
длине не более 200 мм. Этот факт имеет важное значение в случае
реализации так называемого статического способа облучения слитков кремния.
Технология ядерного легирования монокристаллического крем-
ния разработана в мировой практике на базе исследовательских реакторов с последующим внедрением на энергетических и промышленных реакторах различных типов.
В зависимости от геометрии активной зоны и конструкционных
особенностей используемого типа реактора, с учетом размеров монокристаллов применяются различные способы облучения кремния
(статика, статика с поворотом на 180º, возвратно-поступательное пе-
ремещение с одновременным вращением, непрерывная протяжка с
одновременным вращением), которые представлены на рисунке
1.2.3.3.1.
46
Рисунок 1.2.3.3.1 – Способы облучения монокристаллов кремния
Слиток в контейнере с помощью механизма перегрузки устанав-
ливается в технологическом канале таким образом, чтобы он не выходил за пределы зоны с равномерным распределением плотности
потока нейтронов.
Основные мировые тенденции в развитии производства
ЯЛК:
- получение ЯЛК с предельными электрофизическими парамет-
рами (радиальная неоднородность у.э.с. не более 2-3%, отклонение
от заданного номинала легирования у.э.с. не более 5-7%, время
жизни н.н.з. не менее 300 мкс);
- расширение диапазона требуемых номиналов удельного электрического сопротивления (у.э.с.) до 500-600 Ом∙см для СПП нового
поколения и до 6 Ом∙см для солнечных элементов с высоким КПД и
гибридных автомобильных двигателей;
- увеличение диаметра заготовок б.з.п. кремния до 200 мм;
- получение ЯЛК из кремния, выращенного методом Чохраль-
ского (10-40 Ом∙см, n-типа);
47
- получение детекторного ЯЛК (3-5 кОм·см, n-типа электропро-
водности) и кремния для фотоприемников (10-40 кОм·см, p-типа
электропроводности);
- наращивание мощностей по выпуску ЯЛК (по некоторым оценкам ожидается годовой рост рынка от 150 т до 500 т).
Поэтому, учитывая мировые тенденции, практически на всех
ядерных центрах в мире (более чем на 30 исследовательских ядерных реакторах) проводятся работы по ядерному (нейтронному) легированию кремния [20, 21].
1.2.3.4 Материаловедческие исследования
Поведение конструкционных материалов, эксплуатируемых и
проектируемых ядерных реакторов, определяет в значительной степени безопасную и экономичную работу атомных станций. Роль
конструкционных материалов состоит не только в обеспечении стабильности на весь период эксплуатации геометрии активной зоны и,
в первую очередь, тепловыделяющих сборок (ТВС) и тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), но и в удержании внутри ТВЭЛа продуктов деления топлива, сохранении работоспособности органов системы управления и защиты (СУЗ) и обеспечении минимальных последствий возможных аварийных ситуаций, т.е. по существу в решении ключевых вопросов безопасности реакторной установки [22].
Достижение высоких выгораний топлива ограничивается радиационной стойкостью материалов оболочек и чехлов тепловыделяющих
сборок ТВС, а срок эксплуатации реакторов на тепловых нейтронах
ограничивается ресурсом материалов корпусов и внутрикорпусных
устройств [23].
Радиационная повреждаемость конструкционных материалов.
Конструкционные материалы под действием облучения испытывают структурные превращения, оказывающие отрицательное влияние в первую очередь на механические свойства и коррозионную
стойкость. Из всех видов облучения (нейтроны, - и -частицы, -
излучение) наиболее сильное влияние оказывает нейтронное облучение. Нейтронное облучение материалов приводит к следующим
изменениям характеристик материалов: упрочнению; низко- и высокотемпературному радиационному охрупчиванию; радиационной
ползучести; радиационному росту и радиационному распуханию;
появлению наведенной активности [24]. Поэтому, одно из основных
48
требований, предъявляемых к облучаемым материалам, - их высокая
радиационная стойкость. Радиационная стойкость - способность материала сохранять в определенных допустимых пределах размеры,
структуру и свойства при длительном воздействии радиационных
излучений. Соударения вызывают смещения атомов или каскад смещений в решетке в зависимости от количества энергии, передаваемой нейтроном атому металла. Подвергшийся удару нейтроном первый атом, подобно биллиардному шару, ударяя по другим атомам,
вызывает в решетке дополнительные смещения. В результате развития каскада образуются объемы с высокой концентрацией вакансий,
по периферии, окруженные зонами с повышенной плотностью межузельных атомов. Один нейтрон способен создать в алюминии более
6000 вакансий, в бериллии, с большей энергией межатомной связи,
- более 450 вакансий.
Помимо смещений большие нейтронные потоки за счет своей
энергии возбуждают атомы, усиливают их колебания (это явление
называют «радиационной тряской»), что сопровождается локальным повышением температуры. Рост температуры способствует радиационному отжигу, сопровождающемуся аннигиляцией вакансий
и межузельных атомов. Высокие температуры и нейтронное облучение могут вызвать в материале ядерные реакции с образованием гелия, что в свою очередь приводит к появлению газовых пузырей по
границам зерен. При температуре ниже температуры рекристаллизации - низкотемпературного облучения - металл упрочняется, но
теряет вязкость и пластичность [25].
Исследования в рамках ЦЯНТ могут быть следующие:
- исследования исходных физико-химических свойств материа-
лов;
- исследования радиационных свойств материалов и изделий;
- разработка и изготовление опытных материалов и изделий;
- исследования в области технологий реакторных материалов;
- исследования отработавших в ИЯУ изделий;
- обоснование работоспособности конструкций макетов изделий;
- совершенствование конструкций макетов изделий.
Объекты и направления исследований
1. Отработавшие в ЯЭУ ТВС, твэлы, СУЗы всех типов и различ-
ного назначения.
49
2. Ядерное топливо, конструкционные и поглощающие материалы различного состава и технологий изготовления после испытаний в стационарных, переходных и аварийных режимах в исследовательских ядерных реакторах.
3. Обоснование длительного хранения ОЯТ и переработки РАО.
4. Материаловедческий надзор, продление ресурса.
5. Физика радиационных повреждений.
6. Новые технологии изготовления, испытаний и исследований
реакторных материалов.
Рисунок 1.2.3.4.1 – Испытания на разрыв облученного образца в «горячей ка-
мере». Лаборатория ORLN
Под воздействием нейтронного излучения с веществом происхо-
дят следующие процессы:
- Быстрые нейтроны повреждают кристаллическую решетку, вызывая перескоки атомов материала по ним. Это приводит к уменьшению пластичности и росту хрупкости материала.
- Нейтроны могут поглощаться различными атомами, вызывая их
трансмутацию - превращения в более тяжелый элемент (например:
56
Fe (n,γ) 57Mn). Чаще всего образовавшийся изотоп радиоактивен, и
он распадается через какое-то время. Так происходит активация материала - насыщение его радиоактивными изотопами.
- Эти радиоактивные изотопы могут распадаться с образованием
альфа-частицы. Альфа-частицы не уходят из материала, а рекомбинируются в гелий. Гелий накапливается внутри материала, вызывает
его распухание и растрескивание (рисунок 1.2.3.4.2). Аналогичные
процессы (в меньшем масштабе) происходят с накоплением водорода, который образуется при распаде нейтронов.
50
- Активация материала приводит к изменению его химического
состава и разнообразным коррозионным процессам. Наиболее критичные места сварки и спаи.
Рисунок 1.2.3.4.2 – Распухание образца из нержавеющей стали под влиянием
нейтронов
Универсальным мерилом того, как далеко заходят эти разрушаю-
щие процессы, является величина с.н.а. - смещений на атом (или dpa
в англоязычной литературе). Она означает, сколько в среднем на
каждый атом придется актов взаимодействия с излучениями. Характерные величины для ядерных реакторов - от 5 до 60 с.н.а.
1.2.3.5 Нейтронно- активационный анализ
Нейтронно-активационный анализ - качественное и количествен-
ное определение состава вещества, основанное на измерении энергии излучения и периодов полураспада радиоактивных изотопов, образующихся в исследуемом веществе при облучении его нейтронами.
Нейтронно-активационный анализ - наиболее чувствительный
метод анализа для многих элементов периодической таблицы. Предел обнаружения для большинства элементов на низкоэнергетичных
нейтронах ниже, чем для нейтронов с высокими энергиями, за исключением ряда легких элементов (газов). Большое влияние на метрологические характеристики анализа имеет энергетический спектр
нейтронов и интенсивность источники.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]