CC BY
53
ОПТИМИЗАЦИЯ КАНАЛОВ ТЯЖЕЛОВОДНОГО РЕАКТОРА ДЛЯ НЕЙТРОННОЙ ТЕРАПИИ
Ю.А. Кураченко
Обнинский государственный технический университет атомной энергетики, г. Обнинск
E-mail: [email protected]
Для горизонтального канала проектируемого тяжеловодного реактора ТВР-50 сформулированы и решены задачи оптимизации характеристик выходящего излучения для задач нейтрон-захватной терапии (НЗТ). Предложено несколько вариантов конфигурации и материального состава блока вывода пучка, обеспечивающих различный вклад «борной» составляющей в дозу при НЗТ. Показаны определённые преимущества одного из вариантов, для которого при достаточно высокой дозе вклад «борной» составляющей > 50% сохраняется для больших глубин залегания опухоли. Сделан вывод о пригодности пучков тяжеловодных реакторов к задачам лучевой терапии.
И в России, и за рубежом сохраняется интерес к тяжеловодным реакторам различного назначения (см., напр., [1,2]). В этой связи целесообразно прояснить возможности, которые может предоставить для нейтронной терапии тяжеловодный реактор относительно небольшой мощности (50 МВт), характерной для исследовательских реакторов, при оптимизации характеристик выводимого пучка.
Проектируемый тяжеловодный реактор ТВР-50 [3] имеет горизонтальный канал, проходящий на уровне середины высоты активной зоны (АЗ). Для этого канала была сформулирована совокупность оптимизационных задач в соответствии с критериями качества пучков для нейтронной терапии [4]. При решении этих задач использовались расчётные и оптимизационные технологии, описанные в представленных на конференцию сообщениях [5, б].
Особенности ТВР-50, и, прежде всего, относительно малая средняя плотность материала АЗ (~ 1.4 г/см3), а также термализованный спектр нейтронов утечки, являются серьёзным препятствием для эффективного использования пучка в режиме нейтрон-захватной терапии (НЗТ). В расчётах было получено несколько конфигураций каналов вывода пучка, обеспечивающих различный вклад «борной16» компоненты. Вклад «борной» компоненты характеризует дозовую нагрузку на здоровую ткань и, тем самым, определяет, в частности, максимальную дозу, которая может быть подведена к опухоли. Выполненные расчётные исследования подобны тем, которые описаны в [7] для реактора ВВРц. Полученные результаты могут создать представление о возможных альтернативах при рассмотрении разных вариантов лучевой терапии (НЗТ, нейтрон-соударная терапия, их сочетания - «бустовая» терапия; нейтрон-гамма сочетанная терапия и т.
дО-
В расчётах варьировалась конфигурация канала вывода и материальный состав коллимационной системы17 и блока вывода (т. е. непосредственно окружающей реактор защиты и шибера, перекрывающего пучок). Основные исследованные варианты могут быть ранжированы следующим образом:
a) цилиндрический канал постоянного диаметра 10 см в бетоне защиты без
фильтра;
b) оптимизированный по конфигурации и составу канал без фильтра;
c) оптимизированный канал с фильтром;
d) оптимизированный канал с модификатором спектра и фильтром.
На рис. 1 представлено радиальное сечение оптимизированного блока вывода на середине высоты АЗ. Для этого канала выполнены расчёты с варьируемой КС (варианты b, с, d).
16 т.е. компоненты дозы в опухоли, обусловленной захватом на 10B при НЗТ.
17 Коллимационная система (КС) обычно включает собственно коллиматор, «сдвигатель спектра» (spectrum shifter) и гамма-фильтр для подавления гамма-излучения.
# • Pb
Рис. 1. Радиальное сечение расчётной модели блока вывода пучка (все размеры даны в см)
В табл. 1 представлены отношения доз в опухоли к доли «борной» составляющей18 для глубины в ткани, на которой а) доза максимальна, Ь) вклад «борной» добавки максимален, с) а также в трёх пространственных узлах по глубине.
Таблица 1
Соотношение доз (числитель, сГ р-экв/мин) и доли «борной» составляющей в дозе (знаменатель, %) для различной глубины залегания опухоли и различных вариантов блока вывода
Максимум дозы Максимум вклада Пространственное распределение
rmax ld см DL / А B rmax LB см DL / А B D2см / АB D4 см / А B D6 см / АB
а 0.5 166/38 1.75 160/38.0 152/36 118/26 43.2/15
b 0.5 1380/45 1.75 1360/47.0 1290/46 963/38 704/27
с 0 443/61 1.75 360/65.1 339/64 211/59 131/52
d 0.5 38.2/79 1.75 37/79.2 33.4/77 20.5/70 12/59
Из данных табл. 1, в частности, следует, что из представленных вариантов блока вывода наилучшее соотношение дозы и «борной» составляющей у варианта “с” (с фильтром, но без модификатора спектра). Для этого варианта доза в опухоли ещё достаточно велика (т. е. время экспозиции приемлемо) при вкладе борной составляющей > 50% для всех глубин залегания опухоли.
18 Общепринятые для сопоставлений концентрации 10B: 18 ppm для здоровой ткани и 65 ppm для опухоли.
На рис. 2 в дополнение к данным табл. 1 представлены мощности доз, формируемых в ткани и опухоли для варианта “с” при использовании НЗТ.
Глубина, см
---- Полная доза в опухоли
000 Доза в опухоли, обусловленная бором в 0-0 Полная доза в ткани
---Доза, обусловленная быстрыми нейтронами
---- Доза, обусловленная азотом
... Доза, обусловленная кислородом
**■* Доза, обусловленная гамма-излучением ---- Доза при обычной терапии
Рис. 2. Мощности доз в опухоли и ткани и их компоненты
На рис. 3 представлено терапевтическое отношение19 для всех четырёх вариантов блока вывода.
По совокупности представленных данных можно сделать следующие выводы:
- презумпция о малопригодности пучков тяжеловодных исследовательских реакторов для нейтронной терапии в целом неверна;
- для тяжеловодного реактора относительно небольшой мощности получено несколько вариантов коллимационной системы, позволяющих варьировать вклад НЗТ при «бустовой» нейтронной терапии;
- для оптимизированного пучка с гамма-фильтром показатели «борной» составляющей будут гораздо выше показателей того же пучка без фильтра: от 65 % на глубине 1.5 см через 56 % на глубине 5 см к 35 % на глубине 10 см.
19отношение «полезной» дозы в опухоли на некоторой глубине х к максимальной «вредной» дозе в ткани на оси пучка
3.5
3
2.5 2
1.5 1
0.5
0
0123456789 10
Глубина, см
... Цилиндрический канал диаметром 10 см без фильтра
е о-© Оптимизированный канал без фильтра в-и-0 Оптимизированный канал с гамма-фильтром --- Канал со сдвигателем спектра и гамма-фильтром
Рис. 3. Терапевтическое отношение в зависимости от глубины в ткани
1. Кирюшин А.И., Ажнин Е.И. и др. Концепция тяжеловодного изотопного реактора нового поколения: Сб. докл. на конф. «Усовершенствованные тяжеловодные реакторы (Москва, ГНЦ РФ ИТЭФ, 18-20.11.1997.) - М.,
1997. - С.139-160.
2. NUCLEAR TECHNOLOGY REVIEW 2006 / International Atomic Energy Agency Vienna, 2006.
3. Кураченко Ю.А., Казанский Ю.А., Левченко В.А. Матусевич Е.С. Перспективы тяжеловодного реактора для нейтронной терапии злокачественных новообразований // Известия вузов. Ядерная энергетика. -2005. - №1. - С. 116 - 125.
4. Кураченко Ю.А., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Критерии качества нейтронных пучков для лучевой терапии // Известия вузов. Ядерная энергетика. - 2008. - №1. - С. 3-14.
5. Кураченко Ю.А. Расчётные технологии для реакторных пучков медицинского назначения. Доклад на III Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине», 3-6 июня 2008 г., Троицк Моск. обл.
6. Кураченко Ю.А. Оптимизация блока вывода пучка медицинского реактора «МАРС». Доклад на III Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине», 3-6 июня 2008 г., Троицк Моск. обл.
7. Кураченко Ю.А. «Бустер-эффект» 10B для пучка ГК-1 реактора ВВРц. Доклад на III Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине», 3-6 июня 2008 г., Троицк Моск. обл.
