"Змеиный яд" атомных технологий

Радиоизотопы — своего рода «змеиный яд» атомных технологий. Подобно отталкивающей рептилии, ставшей символом медицины, нуклиды имеют два лика: они могут быть опасны, но при умелом обращении приносят огромную пользу, подчас спасая жизни.

Чуть больше ста лет назад человечество узнало, что одни и те же химические элементы могут иметь разные ипостаси. Позже выяснилось, что некоторые из них способны превращаться в другие. Сегодня известно около 280 стабильных изотопов и свыше 2000 радиоактивных. Большинство нестабильных изотопов в земных условиях в значимых концентрациях получаются только искусственно. Не более ста таких «рукотворных» радионуклидов нашли широкое утилитарное применение. Но и этого хватило, чтобы изменить до неузнаваемости многие сферы человеческой деятельности. Между тем в этой области нас ждет еще много сюрпризов.

При всем разнообразии вариантов и сфер применения радиоактивных изотопов, оно чаще всего сводится к использованию трех их полезных свойств: служить источниками излучения; легко обнаруживаться и точно отождествляться в самых мизерных количествах; убывать со временем. На первом свойстве основано применение изотопов для создания источников ионизирующего излучения (ИИИ), в том числе нейтронных. Вторая способность радионуклидов дает возможность применять их в качестве самой эффективной метки, позволяющей отслеживать пространственные перемещения любого вещества, «помеченного» незначительным количеством изотопа. На третьем свойстве основано измерение возраста чего бы то ни было: от горных пород и геологических образований до останков живых организмов, археологических артефактов и произведений искусства. В некоторых случаях два или три этих полезных свойства используются совместно.

Способность изотопов излучать и (или) служить метками дает возможность, во‑первых, получить информацию, недоступную глазу, рентгеновскому излучению и ультразвуку о процессах, происходящих в живых организмах, материалах, конструкциях, потоках жидкости в трубопроводах и т. д. Во-вторых, эти свойства позволяют активно воздействовать на некоторые процессы и объекты, например, обнаруживать болезни, бороться с ними, уничтожать паразитов, менять свойства материалов и т. п.

Полезное применение находят как естественные радиоизотопы, существующие в природе, так и искусственные, которые не встречаются в окружающей среде или имеются там в пренебрежимо малых количествах. При этом способы применения одних и тех же изотопов, имеющих искусственное или природное происхождение, подчас сильно различаются. Например, искусственно полученный углерод‑14 может применяться в медицине, а тот же природный изотоп используется для датировки (см. Справку 1).

Хотя некоторые изотопы производятся искусственно и в существенных концентрациях встречаются главным образом в реакторах, применение их в ряде сфер основано как раз на тех «крохах», которые имеются в земной природе. Например, углерод‑14 образуется (намеренно и нет) в атомных реакторах и ускорителях.

Искусственно полученный изотоп применяется, в числе прочего, для создания некоторых радиофармацевтических препаратов (см. Таблицу 1). В то же время в природе он образуется (в очень небольших концентрациях) в верхних слоях атмосферы благодаря воздействию космического излучения на изотоп азот‑14. Смешиваясь с другими атомами углерода, он в составе углекислого газа поглощается растениями, в которых при их жизни устанавливается равновесная концентрация этого радиоизотопа благодаря совмещению процессов его естественного распада и постоянного поступления.

После гибели растения баланс нарушается: поступление углерода‑14 прекращается, а радиоактивный распад продолжается, так что количество изотопа начинает убывать. Зная период полураспада углерода‑14 (5730 лет), его характерную равновесную концентрацию в растительных организмах и соотношение с продуктами распада к началу исследования, можно (с некоторыми допущениями) определить время, прошедшее с момента гибели растения. Поскольку следы растений и другие изолированные включения углерода содержатся в останках животных, почвах, осадочных породах и постройках, похожий принцип можно использовать для датировки событий палеонтологической, геологической и человеческой истории.

Радиоуглеродный анализ лучше подходит для определения явлений давностью до нескольких десятков тысяч лет. Похожие принципы с использованием некоторых других изотопов (рубидия, урана, калия и т. д.) применяются для сопоставления результатов или датировки более давних событий.

Пометка радиоизотопами была одним из первых вариантов утилитарного применения ядерных технологий; попытки использовать для этого природные радионуклиды предпринимались еще в начале ХХ века, вскоре после их открытия. Сегодня с той же целью применяются не только естественные, но и искусственно полученные изотопы. Подобные метки используются в научных исследованиях, промышленности, топливно-энергетическом комплексе, сельском хозяйстве, медицине. С их помощью контролируют потоки жидкостей и газов в трубопроводах, определяя утечки; изучают метаболизм в организмах; исследуют процессы износа различных механизмов; оценивают характер антропогенного воздействия на окружающую среду и делают многое другое (см. Справку 2).

Для пометки изотопами используют соединения трития, углерода‑14, йода‑125, фосфора‑32 и фосфора‑33, серы‑35, кальция‑45 и т. д.

Например, в сельском хозяйстве радионуклидные метки позволяют отследить путь химических элементов, вносимых в почву в виде удобрений, пестицидов, гербицидов и т. п. Это дает возможность оценить эффективность их применения, скорректировать состав и количество.

Допустим, среди наиболее распространенных агрохимикатов — фосфорные удобрения. Фосфор в природе существует в виде единственного стабильного изотопа — фосфора‑31. Добавив в соединения «щепотку» искусственного радиоизотопа, например фосфора‑32, можно исследовать ход усвоения растениями питательных веществ, степень и скорость проникновения удобрений в почву и грунтовые воды и т. д. Период полураспада фосфора‑32 (14,3 суток) достаточно длителен для отражения нужных процессов и в то же время обеспечивает «самоудаление» радиоактивности из окружающей среды спустя относительно небольшое время.

Лечебный, в том числе бактерицидный, эффект воздействия радиоизотопов начали исследовать на заре XX века; первые опыты его промышленного применения относятся к 1940-м годам. В 1960—1970-х годах начали массово применяться радиационная обработка и стерилизация (в том числе для консервации) продукции сельского хозяйства и пищевой промышленности, промышленных, медицинских, бытовых отходов и сточных вод, медицинских изделий (см. Справку 3).

В аграрном секторе облучательные технологии позволяют предотвратить преждевременную порчу продуктов и продлить сроки их хранения; избежать прорастания семян, клубней и корнеплодов на складах; бороться с болезнями растений и посевного материала; обеззараживать корма и т. д.

Радиационные технологии дают особые возможности для борьбы с насекомыми, которые вредны для сельского хозяйства или являются переносчиками болезней; один из вариантов — репродуктивная стерилизация большого количества специально выведенных особей, которые, смешиваясь с сородичами, обеспечивают сокращение или сдерживание роста их популяции. Так называемая дезинсекция (уничтожение насекомых) также применяется при хранении урожая и пищевого сырья. По масштабам радиационной обработки в сельском хозяйстве сегодня лидируют США и Китай — на эти страны приходится 2/3 объема глобального применения подобных технологий.

В зависимости от различных факторов, радиационная обработка осуществляется с помощью гамма-, бета-, рентгеновского или тормозного излучения от передвижных или стационарных промышленных или полупромышленных облучательных установок, в которых применяются радионуклидные источники ионизирующего излучения либо ускорители.

Радиационные технологии имеют преимущества перед другими методами обработки и обеззараживания: они применимы там, где иные способы неэффективны, а также позволяют быстро и относительно дешево обрабатывать большое количество объектов. В частности, радиационная обработка заменяет термическую, которая во многих случаях невозможна (для аграрной продукции, стерилизации некоторых медицинских изделий). К тому же это самый эффективный метод обработки уже упакованных изделий (пищевых продуктов, медицинских принадлежностей), значительно продлевающий срок их годности. Именно радиационная стерилизация сделала возможным повсеместное применение одноразовых медицинских принадлежностей, повысила эффективность и сроки консервации продуктов.

Для радиационной обработки и стерилизации используются источники ионизирующего излучения, обычно на основе кобальта‑60, а также цезия‑137. Первый (с большей характерной энергией — в среднем для двух фотонов ~1,25 МэВ) чаще применяется в мощных промышленных облучательных установках; второй (с примерно вдвое меньшей энергией, но более длительным периодом полураспада, от которого зависят сроки замены ИИИ) — в портативных установках и для объектов, требующих умеренных доз облучения.

Для радиационной обработки продукции агропромышленного комплекса в большинстве случаев достаточно доз до 5−10 кГр. Стерилизующая доза для спор большинства известных микроорганизмов не превышает 25−30 кГр, однако существуют установки, применяемые в медицине и при консервации в агропромышленном комплексе, обеспечивающие в конвейерном режиме глубокую стерилизацию с дозами порядка 50 кГр и выше.

В разных сферах деятельности применяются изотопы как основа радионуклидных ИИИ, используемых для контроля, диагностики и измерений, радиометрической разведки, активационного анализа, радиационной модификации материалов и т. п. (см. Справку 4).

Одна из сфер применения радиоизотопов — гамма-радиография, позволяющая эффективно «просвечивать» массивные металлические изделия и конструкции. С помощью гамма-дефектоскопов оценивают состояние сварных швов и других соединений. Для такого неразрушающего контроля используются источники на основе кобальта‑60, иридия‑192, цезия‑137, селена-75, иттербия‑169, тулия‑170.

Изотопы также применяются в измерительном оборудовании, входящем в состав различных систем автоматического управления технологическими процессами (АСУ ТП). Они используются, например, для контроля уровня жидкостей и сыпучих продуктов в случаях, когда непосредственный доступ к ним затруднен. Например, при непрерывной разливке металла применяются устройства контроля уровня расплавленного металла, дающие возможность автоматически поддерживать уровень расплава с точностью до нескольких сантиметров. В уровнемерах применяются кобальт‑60, цезий‑137 и америций‑241.

Еще одна распространенная сфера применения изотопов — точный контроль толщины стенок трубопроводов, резервуаров, покрытий и слоев, металлического листового проката, пластиковых пленок и бумаги, в том числе при быстром их перемещении в процессе поточного производства (к примеру, при движении бумажной ленты на бумагоделательном оборудовании). Для этого обычно применяются радиоизотопные источники рентгеновского или бета-излучения, интенсивность которого меняется в зависимости от толщины материала, что фиксируют приборы. В толщиномерах используются относительно слабые ИИИ с низкой удельной активностью из соединений цезия‑137, криптона‑85, стронция‑90, америция‑241, прометия‑147, кюрия‑244.

Дефектоскопы на базе источников бета-излучения, соединенные с блокирующими устройствами, контролируют в режиме реального времени целостность ответственных механизмов в металлообработке и машиностроении. В случае их поломки производственный процесс автоматически останавливается.

На ионизирующей способности изотопов основано их применение для контроля герметичности в газовой среде и снятия статического заряда (например, в текстильной промышленности и полиграфии). В последнем случае источники альфа- и бета-излучения эмитируют частицы с зарядом, противоположным ионам, преобладающим в атмосфере данного производства. Например, при избытке отрицательного заряда могут использоваться такие источники альфа-излучения, как америций‑241 или полоний‑210 с очень низкой активностью в ИИИ. Системы контроля герметичности и нахождения утечек основываются на электронозахватном методе и используют изотопы трития или никеля‑63.

Применяются радионуклидные устройства и для измерения влажности, концентрации пыли, зольности, плотности среды. Для этого используются ИИИ и нейтронные источники с цезием‑137, радием‑226, йодом‑125, калифорнием‑252, америцием‑241 (отдельно или в интерметаллической комбинации с бериллием). С помощью радиоизотопных источников с железом‑55, кадмием‑109, кобальтом‑57 проводится рентгено-флуоресцентный анализ, позволяющий определять химический состав веществ.

Ряд изотопов имеют одну или несколько сфер уникального применения. Так, плутоний‑238 и стронций‑90 используются для создания автономных радиоизотопных энергетических устройств, таких как РИТЭГи, атомные батареи. Плутоний‑238 отличается очень высокой тепловой эмиссией (около 0,6 кВт/кг), и на его основе создаются источники энергии для космических аппаратов. Это устройства длительной работы (некоторые способны функционировать десятилетиями), но сверхмалого уровня мощности (обычно до нескольких сотен ватт). Миниатюрные энергоисточники с плутонием‑238 используются для питания кардиостимуляторов.

На основе таких альфа-излучателей, как плутоний‑238, плутоний‑239, америций‑241, кюрий‑244, кюрий‑248, калифорний‑252, полоний‑210 и их комбинаций с изотопами нескольких веществ (азота, углерода, фтора, кислорода, но чаще бериллия) можно создавать миниатюрные нейтронные источники. Такие устройства используются для запуска цепной реакции, калибровки, активационного анализа (позволяющего определить состав вещества), научных и прикладных исследований и т. д. Те же компактные нейтронные источники применяются в досмотровых системах (для поиска взрывчатых веществ и т. п.), в геофизических изысканиях, например, для каротажа (изучения) скважин, позволяющего определить состав горных пород. Америций‑241 к тому же повсеместно применяется для изготовления датчиков дыма.

Массовое использование некоторых из перечисленных изотопов (см. Справки) или конкретные его сферы сокращаются в ряде стран из-за повышения экологических и медико-биологических стандартов. Однако в медицине спектр применяемых изотопов расширяется и сегодня насчитывает многие десятки радионуклидов, в том числе нигде больше не используемых.

Ядерная медицина, в которой применение изотопов занимает центральное место, открывает невиданные возможности как в диагностике, так и в терапии. Радионуклидные технологии используются при лечении дисфункций сердечно-сосудистой системы, головного и спинного мозга, костной ткани, мочеполовой системы, легких, печени и почек, щитовидной железы и т. д. Важнейшей, но далеко не единственной сферой применения ядерной медицины остается онкология (см. Таблицу 1).

Диагностические методы ядерной медицины основаны на применении изотопных меток, позволяющих дать ценнейшую функциональную и биохимическую характеристику любой системы организма. Нуклидные метки включаются в состав радиофармацевтических препаратов (РФП), чаще всего получаемых пациентами как обычные лекарства: посредством инъекций, ингаляций или перорально. РФП доставляют радиоизотопы в нужный орган или систему организма, используя особенности их биохимии. Слабое излучение таких меток улавливается сканерами и с помощью компьютерной обработки преобразуется в информацию, которая о многом говорит специалистам. При этом учитываются не только пространственная локализация меток, но и характер, объем и скорость их распространения, накопления или выведения из тех или иных подсистем организма; все это иногда свидетельствует о сбоях в его работе. Радионуклидная лучевая диагностика способна выявить, например, признаки онкологического заболевания на самой ранней стадии — в ряде случаев на год-два раньше, чем это доступно другим методам. Как известно, раннее диагностирование в онкологии — ключевой фактор успеха лечения.

От прочих технологичных методов диагностики (таких как магнитно-резонансная томография — МРТ, использующая магнитное поле; компьютерная томография — КТ, основанная на рентгенографии; ультразвуковое исследование — УЗИ, в котором применяются короткие звуковые волны) радионуклидная диагностика отличается тем, что получает информацию «изнутри», а не отражает «взгляд снаружи». К тому же эта внутренняя информация доступна едва ли не на молекулярном уровне подробности. Наконец, ядерная лучевая диагностика одинаково подходит для исследования мягких и костных тканей, что отличает ее от иных, не столь разносторонних методов.

Последние, однако, имеют свое преимущество — более наглядную визуализацию органов. Поэтому при обследовании иногда применяется комбинация радионуклидной диагностики с КТ или МРТ. Хотя такое совмещение может увеличить получаемую пациентом дозу облучения (при КТ), в некоторых случаях это оправдано заметно бóльшей информативностью.

Радиофармпрепараты для диагностики подбираются с таким расчетом, чтобы, во‑первых, происходило ускоренное накопление радиометок в исследуемом органе. Во-вторых, чтобы обеспечить минимальное излучение для фиксации гамма-сканерами, но не нанести вреда организму и гарантировать быстрое и практически бесследное выведение из него незначительной радиоактивности в минимальные сроки после окончания процедуры. Это достигается, среди прочего, низкой активностью нуклида, характером и скоростью его распада, а также составом дочерних изотопов, которые должны быть биологически безвредны и стабильны.

Другой критерий выбора радиоизотопов связан с характером излучения. Информация о работе органов доставляется до диагностической аппаратуры гамма-излучением, которое либо исходит непосредственно от введенных в организм изотопов, либо формируется при взаимодействии их характерного излучения с окружающими атомами и элементарными частицами. Так, при двухмерной или планарной сцинтиграфии (отражающей функциональную картину в плоском срезе) и так называемой однофотонной эмиссионной компьютерной томографии — ОФЭКТ (при которой обеспечивается трехмерное отображение функциональных процессов) детекторы фиксируют фотоны, порожденные непосредственно радиоизотопами — как правило, один гамма-квант на каждый распадающийся атом. Другая технология, все чаще применяемая сегодня, — позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). При этом методе в организм вводятся изотопы — излучатели позитронов; аннигиляция каждого позитрона с «местным» электроном порождает два разнонаправленных фотона с энергией порядка 0,5 МэВ, которые фиксируются гамма-камерами, обеспечивая более информативную, чем при ОФЭКТ, картину.

Радиоизотопы все шире используются не только в диагностике, но и в активном лечении заболеваний, включая паллиативное: прежде всего в онкологии, а также в кардиологии, неврологии, ортопедии, гастроэнтерологии и некоторых других областях. Радионуклиды по-прежнему имеют большое значение как источники излучения, применяемого для борьбы с недугом, наряду с ускорителями заряженных частиц и пока еще экспериментальными методами воздействия реакторными нейтронами (см. ниже).

В основе лучевого воздействия на злокачественные образования лежит разница в эффекте, который производит излучение на раковые и здоровые клетки, а также в способности их восстановления. Эта разница обусловлена как природой клеток (здоровые обычно более устойчивы), так и способами лечения, призванными нанести максимальный ущерб раковым клеткам, минимизировав его для здоровых. Последнее достигается правильным определением метода подведения источника ионизирующего излучения к очагам поражения, удачным выбором изотопа с определенными параметрами излучения, точным расчетом характера его поглощения в тканях, определением дозы и т. д.

Излучение может подводиться к больным тканям в виде пучка от внешнего источника (радионуклидного или ускорителя) либо в виде компактных или миниатюрных радиоизотопных источников, устанавливаемых механически у пораженных участков вплотную к ним (накладываются или вставляются с помощью катетеров) — так называемая брахитерапия.

Хотя для дистанционной лучевой терапии все шире используются ускорители, радиоизотопные источники во многих случаях сохраняют важную роль. Так, одно из наиболее радикальных средств внешнего воздействия — стереотаксическая радиотерапия (радиохирургия) — бескровное уничтожение злокачественных образований с помощью так называемого гамма-ножа. Ее суть в том, что сотни пучков гамма-излучения с разных точек и углов направляются на один небольшой участок организма пациента — опухоль размером до нескольких сантиметров. При правильной фокусировке злокачественные клетки получают на порядки бóльшую дозу, чем приповерхностные здоровые ткани на пути каждого пучка излучения. Среди ключевых факторов успеха такого метода — точный расчет при наведении пучков, фиксация пациента в определенном положении, для того чтобы по возможности меньше задеть здоровые клетки. При этом методе, впервые примененном в конце 1960-х годов, по-прежнему широко используются ИИИ на основе высокоактивного кобальта‑60.

Альтернатива перечисленным внешним воздействиям — "внутренняя", так называемая радиоиммунная, терапия. Ее принцип в том, что доставка изотопов к злокачественным образованиям осуществляется биохимическим путем на «клеточном» уровне, то есть посредством радиофармпрепарата — наподобие того, как это делается при радионуклидной диагностике. Однако изотопы для терапии отличаются от радионуклидов для диагностики тем, что у первых ионизирующее излучение не должно стремиться к нулю, а иногда наоборот — призвано обеспечить высокую дозу в локальном масштабе (см. Справку 5).

В зависимости от различных факторов для радионуклидной диагностики применяются разные по свойствам радиоизотопы. Наиболее универсальный и широко используемый — технеций‑99m: это основной изотоп для исследований ОФЭКТ — давно развивающегося и все еще преобладающего сегмента радионуклидной диагностики.

Помимо технеция в диагностике применяются или апробируются: йод‑123, таллий‑199 и таллий‑201, йод‑131 и йод‑132, ксенон‑127 и ксенон‑133, хром‑51, галлий‑67, криптон‑81m, стронций‑85, медь‑62, медь‑64 и медь‑67, рутений‑97, селен‑75, индий‑111 и индий‑113m, рубидий‑81, технеций‑95 и технеций‑97m, кобальт‑55 и кобальт‑57, олово‑117m, магний‑28, железо‑52 и железо‑59, иттрий‑89m, алюминий‑28, галлий‑66 и галлий‑67, цезий‑128 и цезий‑129 и другие.

Для ПЭТ используются ультракороткоживущие радионуклиды — излучатели позитронов: кислород‑15, углерод‑11, азот‑13, фтор‑18. Для той же цели рассматриваются медь‑61, галлий‑66, титан‑45 и ряд других.

При брахитерапии применяются преимущественно источники гамма-, реже бета- или альфа-излучения: кобальт‑60, цезий‑131 и цезий‑137, иридий‑192, йод‑125, золото‑198, калифорний‑252, стронций‑90, рутений‑106/родий‑106, палладий‑103.

В радиоиммунной терапии применяются в основном изотопы-бета-излучатели, многие из которых также испускают фотоны с низкой энергией, что позволяет вести мониторинг терапии теми же средствами, что и при радионуклидной диагностике. К используемым для этой цели нуклидам относятся йод‑131, иттрий‑90, стронций‑89, лютеций‑177, фосфор‑32, палладий‑103, рений‑188 и рений‑186, самарий‑153 и др.

Перспективным направлением считается радиоиммунная альфа-терапия — применение изотопов альфа-излучателей, среди которых радий‑223, свинец‑212, актиний‑225 с его дочерним изотопом висмут‑213, висмут‑212, астат‑211, тербий‑149 и ряд других.

Действие этих изотопов основано на том, что порождаемое ими интенсивное ионизирующее излучение отдает свою деструктивную энергию на сверхкоротких дистанциях (в отличие от проникающего гамма-излучения), нанося максимальный ущерб опухоли и ограниченно затрагивая окружающие здоровые ткани. Условием для этого является точная доставка к клеткам-мишеням значительной части изотопа в составе соединений радиофармпрепарата. Такой принцип позволяет подвести к ним бóльшую суммарную активность, чем это возможно при дистанционной лучевой терапии (иногда около 0,5−1 Ки в течение нескольких последовательных процедур, разделенных интервалами); кроме того, он безальтернативен в случае распределенных поражений онкологическим заболеванием, метастазов.

Перспективное развитие этого метода — так называемая нейтронзахватная терапия, при которой альфа-излучение в нужных участках ткани возникает не от эмитирующих его радиоактивных изотопов, а вследствие облучения нейтронами стабильного изотопа с большим сечением поглощения, предварительно доставленного в эти ткани с помощью фармпрепарата. При поглощении нейтронов таким веществом возникает мощная альфа-эмиссия. Ядра гелия в этих условиях имеют микроскопический пробег и отдают большую часть своей энергии близлежащим раковым клеткам, выводя их из строя. В качестве необходимого изотопа-поглотителя обычно рассматривается бор, обогащенный имеющимся в природе в большом количестве стабильным изотопом бор‑10 (как в СУЗ некоторых реакторов). Такой метод требует отвода тепловых или эпитепловых нейтронов от достаточно мощного их источника — исследовательской реакторной установки или ускорителя.

Для большинства целей «добыча» необходимых радиоизотопов из окружающей среды нерациональна или практически невозможна, поэтому они производятся искусственно. Наработка нескольких десятков изотопов распространена достаточно широко и осуществляется в разных странах; другие имеют единичных или уникальных производителей.

Существует несколько способов получения радионуклидов; в зависимости от конкретного изотопа пригодны (или экономически оправданны) лишь некоторые из них.

Первый метод основан на делении ядер тяжелых атомов, которое в нужных масштабах осуществляется в реакторах — исследовательских, промышленных или энергетических. Таким способом могут нарабатываться молибден‑99, йод‑131, ксенон‑133, иттрий‑90, стронций‑89. Например, молибден‑99 является одним из вариантов деления ядра урана‑235, при котором образуются изотопы молибдена и олова. При этом молибден‑99 составляет около 6% продуктов распада, а процесс облучения урановых пластин может занять считанные дни, в зависимости от уровня обогащения мишени, характеристик нейтронного потока и требований к целевому продукту.

Гораздо больше различных изотопов производится в реакторах нейтронной активацией, в результате которой нужный изотоп возникает не из осколков тяжелых ядер, а из другого изотопа того же элемента или иного, близкого по атомной массе к целевому. Например, молибден‑99 получается (второй способ его производства) вследствие воздействия нейтронов на мишень с изотопом молибден‑98; широко используемый кобальт‑60 нарабатывается из поглотителей на базе кобальта‑59; самарий‑153 «делается» из самария‑152; а йод‑131 может быть получен активацией в реакторе мишеней, содержащих не изотопы самого йода, а теллур. Такой процесс нередко занимает много времени: например, поглотители с кобальтом‑59 облучают от двух до четырех лет.

Еще один метод получения изотопов — бомбардировка мишеней заряженными частицами в циклотронах и линейных ускорителях заряженных частиц (см. Справку 6).

Некоторые изотопы могут производиться разными путями. Нередко радионуклиды с наибольшими для данного химического элемента отношениями нейтронов к протонам в ядре рациональнее нарабатывать в реакторе нейтронной активацией, а с обратным соотношением — в ускорителе, где происходит бомбардировка заряженными частицами. Например, молибден‑99 получается намного дешевле и качественнее при наработке его в реакторе путем деления урана‑235 и особенно — при использовании высокообогащенного урана. В то же время другой, все более широко применяемый изотоп фтор‑18 вполне рационально производить на циклотронах бомбардировкой изотопа кислород‑18.

В ряде случаев выбор «средства производства» изотопов обусловлен не экономикой, а физикой. Некоторые ультракороткоживущие изотопы не имеет смысла нарабатывать в реакторах из-за их существенной удаленности от потребителей. Изотопы производятся на весьма ограниченном числе реакторов; технически для этого наиболее приспособлены исследовательские и многоцелевые реакторы разных типов, а также канальные энергетические реакторные установки наподобие канадских CANDU и российских РБМК. В некоторых больших странах и регионах имеется один-два подходящих реактора, а зарубежные реакторные установки еще более удалены от мест использования необходимого изотопа с периодом полураспада (Т ½), исчисляемым часами или минутами. В таких случаях возможна наработка нуклидов на ускорителях, для которых допустимо более свободное размещение и «тиражирование», вплоть до их установки в каждом месте потребления. Примерами могут служить циклотроны в некоторых медицинских центрах, использующие наработанные на месте быстрораспадающиеся изотопы. К последним относятся, например, азот‑13 с периодом полураспада менее 10 минут или рубидий‑81 с Т ½ менее 5 часов, порождающий полезный дочерний радионуклид криптон‑81m, чей период полураспада — всего около 13 секунд.

Довезти такие изотопы до места потребления иногда физически невозможно. Короткоживущие изотопы с периодом полураспада, измеряемым часами (к примеру, йод‑123 с T½ = 13,2 часа), могут производиться на ускорителях централизованно в масштабах мегаполиса, небольшого региона или государства.

Двухступенчатая схема производства и доставки применяется для некоторых пар радиоактивных изотопов типа «исходный-дочерний» с существенно бóльшим периодом полураспада для первого из них (сутки, недели или месяцы). В этом случае исходный изотоп может нарабатываться централизованно (в реакторе или ускорителе), а затем доставляться к многочисленным местам потребления в специальных генераторах короткоживущих изотопов. Генератор представляет собой мобильное устройство для хранения исходного и постоянно образующегося из него дочернего изотопов, а так же их разделения и извлечения необходимого количества дочернего изотопа по мере необходимости. Генератор обычно упакован в контейнер с биологической защитой из слоя свинца или вольфрама. Посредством таких генераторов производятся и распределяются такие широко используемые изотопные продукты, как молибден‑99/технеций‑99m (Т ½= 2,8 сут/6,01 ч). Другие примеры генераторных изотопов приведены в Справке 6.

Нейтронной активацией в реакторе могут нарабатываться (помимо перечисленных в основном тексте изотопов) эрбий‑169, калий‑42, натрий‑24, лютеций‑177, плутоний‑238, цезий‑131 и цезий‑137, радий‑223, хром‑51, гольмий‑166, йод‑125, иттербий‑169 и иттербий 177, иридий‑192, рений‑186 и рений‑188, железо‑59, свинец‑212, диспрозий‑165, палладий‑103, фосфор‑32, селен‑75 и т. д.

Активацией в ускорителях (чаще циклотронах) получают кобальт‑56 и кобальт‑57, кадмий‑109, йод‑123 и йод‑124, бериллий‑7, стронций‑82 и его дочерний изотоп рубидий‑82, азот‑13, галлий‑67, германий‑68 и дочерний изотоп галлий‑68, титан‑44, индий‑111, криптон‑81м, железо‑55, углерод‑11, фтор‑18, цинк‑65, висмут‑207, иттрий‑88, таллий‑201, медь‑64 и медь‑67, стронций‑85, палладий‑103, кислород‑15, церий‑139, технеций‑99m.

Генераторы короткоживущих изотопов могут применяться (помимо упомянутых молибдена‑99/технеция‑99m) также для пар радий‑224/свинец‑212 (Т ½=3,7 сут/10,6 ч), германий‑68/галлий‑68 (Т ½= 271 сут/68 мин), актиний‑225/висмут‑213 (Т ½= 10 сут/46 мин), стронций‑82/рубидий‑82 (Т ½= 25 сут/1,3 мин), вольфрам188/рений‑188 (Т ½= 69 сут/17 ч), олово‑113/индий‑113m (Т ½= =115 сут/100 мин).

Для производства радиоактивных изотопов часто применяются стабильные изотопы, к которым относятся, среди прочих, молибден‑98, молибден‑100, самарий‑152, кобальт‑59 и кислород‑18 в приведенных выше примерах. Их получают на разделительном оборудовании; это, как правило, центрифуги; иногда используется электромагнитная сепарация, позволяющая довести некоторые изотопы до наивысшей концентрации, что важно для качества радиоизотопного продукта. Источники поставки стабильных изотопов, ряд которых представляют собой монополию или олигополию, — дополнительный фактор, влияющий на стоимость наработки радионуклидов.

Между тем циклотронное производство некоторых радионуклидов позволяет «срезать угол», обойдясь при поставке без промежуточного звена в виде исходного изотопа. Например, технеций‑99m может быть получен в циклотроне непосредственно (минуя стадию молибдена‑99) в результате бомбардировки мишеней с молибденом‑100. Однако такой способ требует, наряду с прочим, уменьшения или исключения транспортного плеча, поскольку получаемое сырье теряет свои качества в несколько раз быстрее, чем в случае с использованием генератора.

В общем, для генераторов изотопов характерны разделение (во многих случаях) централизованного производства и децентрализованного применения на значительном расстоянии от наработки, а также необходимость извлечения и преобразования (за счет физико-химических процессов) содержащегося в них полезного продукта. То есть на пути к конечному использованию изотопное сырье претерпевает несколько трансформаций.

В отличие от описанного варианта, сравнительно долгоживущие изотопы могут поставляться в той форме, в которой они в конечном итоге используются, например, в виде закрытых источников ионизирующего излучения или радиофармацевтических препаратов.

Оценки стоимостного объема рынка изотопов сильно различаются; их cреднее значение — порядка $ 10 млрд. Большая часть рынка приходится на радионуклиды, применяемые в ядерной медицине. Хотя многие изотопы относятся к тому или иному сектору рынка по характеру своего использования, ряд нуклидов применяется в совершенно разных областях; наиболее значимый пример — кобальт‑60 — самый универсальный изотоп с точки зрения отраслевого использования. Причина в том, что он оптимально сочетает несколько свойств для создания наиболее компактных, мощных и относительно долговечных радионуклидных источников гамма-излучения. Не случайно, как было показано выше, он широко применяется в агропромышленном комплексе, индустрии и медицине (впервые был применен для терапии в 1951 году). При этом используется кобальт‑60 с разной удельной активностью: в гамма-ножах, оборудовании для дистанционной лучевой терапии и некоторых установках промышленной и медицинской стерилизации, где необходима высокая мощность пучка, используется материал с удельной активностью в несколько сотен Ки/г, тогда как в гамма-дефектоскопах, уровнемерах и прочих изотопных приборах может применяться кобальт‑60 с намного меньшей удельной активностью.

Мировой спрос на этот изотоп — 60−100 млн кюри в год; стоимостной объем рынка — до $ 200 млн. Наибольшее количество кобальта‑60 нарабатывается в Канаде облучением стабильного кобальта‑59 в реакторах CANDU атомных станций «Брюс» и «Пикеринг» (раньше кобальт с высокой активностью производился на одном из крупнейших в мире исследовательских реакторов NRU в Чок-Ривер; в перспективе значимым источником изотопа может стать канадская АЭС «Дарлингтон»). Кроме того, кобальт‑60 производится в реакторах CANDU-6 в Южной Корее, Китае и Аргентине, а также в России в реакторах РБМК, реакторах на комбинате «Маяк» и на исследовательских установках в НИИАРе (небольшой объем материала с высокой массовой активностью). Росатом планирует существенно расширить свою долю в мировом производстве высокоактивного кобальта‑60 за счет его наработки на Белоярской АЭС: для производства этого изотопа лучше всего подходят реакторы с быстрым спектром нейтронов; у Росатома имеются уникально большие мощности такого рода.

Ранее канадские реакторы покрывали свыше 2/3 мирового спроса на кобальт‑60, однако после остановки NRU и расширения производства в России пропорции изменились. Ныне в Российской Федерации нарабатывается около 1/3 глобального объема кобальта‑60. Значительная часть этого изотопа (включая произведенный в России) поступает на рынок через канадскую компанию Nordion. Материал с наибольшей удельной активностью проходит через канадскую же фирму Best Theratronics Ltd. (ранее входившую в одну группу с Nordion), которая является одним из мировых лидеров по производству мощных установок для дистанционной лучевой терапии и другого оборудования, где используются нуклидные ИИИ с кобальтом‑60.

В различных рыночных нишах альтернативой кобальту‑60 до некоторой степени служит цезий‑137. Он применяется, например, в лучевой терапии, стерилизации, радиографии, измерительном оборудовании и т. д. Основной производитель этого изотопа — Росатом. Госкорпорация также является ключевым или монопольным поставщиком ряда трансуранидов — источников нейтронов и альфа-излучения, таких как «широко используемые в узких областях» америций‑241, плутоний‑238, калифорний‑252.

Также «многоотраслевой» профиль у иридия‑192: он применяется в брахитерапии и в промышленной радиографии для контроля сварных швов, где иногда служит альтернативой кобальту‑60 (однако в этой области его недостатком можно считать короткий период полураспада: источники с иридием‑192 требуют частой замены).

Крупнейший сектор изотопного рынка — медицинский, где применяется или испытывается около полусотни нуклидов и свыше двухсот сертифицированных радиофармпрепаратов на их основе. Многие из таких изотопов вне здравоохранения практически не используются, поэтому по праву называются медицинскими. На медицинский профиль приходится более ¾ рынка радиоизотопов.

Рынок медицинских изотопов растет средними темпами около 5% в год, прежде всего благодаря развитию ядерной медицины, некоторые сегменты которой имеют двузначную ежегодную динамику в процентах. В мире уже работают десятки тысяч установок для двухмерной сцинтиграфии и ОФЭКТ, ПЭТ, стереотаксической хирургии и брахитерапии. Радионуклидная диагностика стала будничным, широко доступным методом медицинского обследования в развитых государствах, где она нередко включена в базовую медицинскую страховку. Через такие процедуры ежегодно проходит более 1−2% процентов населения; каждый год в мире проводится порядка 50 млн таких обследований. К ним добавляется на порядок меньший (но быстро растущий) объем терапии средствами ядерной медицины, значительная часть которого предусматривает использование нуклидов для лечения или квазиоперативного вмешательства.

Среди всех изотопов особо важное место занимает технеций‑99m, служащий радиометкой в большинстве наиболее широко распространенных диагностических процедур (прежде всего ОФЭКТ) и занимающий больше половины рынка медицинских изотопов; он также применяется вне медицины, например, помогает проводить мониторинг сточных вод и жидких отходов. Учитывая специфику получения и доставки этого нуклида и короткие периоды полураспада самого технеция‑99m и его исходного изотопа молибдена‑99 (см. Таблицу 1), необходимы регулярное производство, доставка и обратный вывоз генераторов технеция из мест его использования с частотой один раз в 10−15 дней для большинства точек потребления на планете.

Вся эта разветвленная и интенсивно функционирующая система доставки сходится всего в нескольких центрах производства: бóльшая часть молибдена‑99 в нынешнем столетии нарабатывалась менее чем на десяти (в отдельные периоды на трех-четырех) исследовательских реакторах. Из-за необходимости совмещать научные программы с интенсивной производственной деятельностью они были вынуждены периодически (раз в месяц и чаще) останавливаться на перегрузку топлива и профилактические процедуры. Чтобы в таких условиях обеспечивать надежность поставок на необходимом уровне, производителям приходилось постоянно держать часть мощностей (до ~50%) в резерве, то есть они сильно недогружались (сложилась постоянная координация действий игроков этого рынка друг с другом). Поскольку часть производимого продукта постоянно и неминуемо теряется по дороге и в процессе потребления из-за естественного распада, для этого рынка было характерно регулярное и значительное перепроизводство.

Наработка молибдена‑99 и первоначально возникающее из него количество технеция‑99m более чем в 4 раза превышают номинальный объем конечного потребления последнего: его принято мерить в так называемых шестидневых кюри или беккерелях (терабеккерелях в планетарном масштабе), которые отражают активность равновесной смеси изотопов по прошествии примерно одного периода полураспада молибдена‑99 после его наработки и целой «серии» полураспадов возникающего технеция‑99m; иными словами, в расчетах используется многократно заниженный объем производства с учетом неминуемых потерь. К этому нужно добавить еще одно производственное звено, усложняющее поставку: химическую переработку облученного материала для извлечения из него и очистки молибдена‑99. Поскольку накопление и длительное складирование «скоропортящегося» товара невозможны, рынок молибдена‑99/технеция‑99m крайне чувствителен к любым колебаниям предложения и реагирует на сбои практически в режиме реального времени.

На таком фоне в нынешнем веке большинство главных реакторов — наработчиков молибдена‑99 (это BR‑2 в Бельгии, NRU в Канаде, HFR в Нидерландах, Safari‑1 в ЮАР, LVR‑15 в Чехии, Maria в Польше, OSIRIS во Франции, а также реакторы в России, Австралии и Аргентине) приблизились к критическому полувековому возрасту или перешагнули его, а для двух из них (канадского NRU и французского OSIRIS, на которые в совокупности приходилось свыше 20% мировых мощностей поставки молибдена‑99) был запланирован и впоследствии осуществлен вывод из эксплуатации. Неудивительно, что в этой ситуации на рынке сложилась крайне нервная обстановка, при которой любое потенциальное сокращение предложения отзывалось кризисом в умах потребителей, даже если до реальных, серьезных перебоев дело не доходило. В результате за последние десять лет рынок молибдена‑99/технеция‑99m (читай, весь рынок медицинских изотопов и ядерной медицины) испытал несколько стрессов, приведших к его частичной перестройке.

После реального кризиса поставок, который случился в 2009—2010 годах, все участники рынка начали готовиться к возможному дефициту молибдена‑99, в частности, планировать создание замещающих мощностей или наращивание производства. Так, на крупнейшем рынке США (около половины мирового потребления) власти приняли меры по восстановлению отечественного производства этого изотопа (наработка молибдена‑99 в Соединенных Штатах прекратилась в 1989 году; с тех пор и до начала текущего года весь объем этого ключевого товара импортировался).

В 2012 году США приняли так называемый закон «О производстве медицинских изотопов в Америке», который предусматривал государственную поддержку проектов частного бизнеса в этой сфере, а также дополнительные меры по переводу наработки молибдена‑99 на мишени из низкообогащенного урана. В результате возникло множество проектов организации производства молибдена‑99/технеция‑99m, из которых четыре получили бюджетные деньги на условиях государственно-частного партнерства. Отличительной чертой возникшего «молибденового бума» стало развитие разнообразных альтернативных технологий, в том числе в рамках госпрограмм. В 2018 году было официально запущено первое за три десятилетия производство молибдена‑99 в США — на базе нереакторной технологии, созданной компанией NorthStar.

Между тем к сегодняшнему дню стало ясно, что предсказания безудержного роста спроса на молибден‑99 и перспективы его дефицита оказались преувеличенными. В реальности рынок прошел критические события без существенных потерь и в последние годы сбалансировался. Исходя из оценок NEA (которая на протяжении нынешнего десятилетия регулярно изучала рынок молибдена‑99 и координировала с его участниками меры по предотвращению дефицита), спрос на этот изотоп к 2017−2018 годам установился на уровне ~17 500−18 000 шестидневных терабеккерелей в год (по сравнению с ~23 000 шестидневных ТБк/год в начале десятилетия). То есть реальный спрос снизился более чем на 20%, что компенсировало выбытие части мощностей и помогло рынку достичь равновесия; как признала NEA в своих докладах в 2017—2018 годах, предложение молибдена‑99 теперь покрывает спрос с приемлемым запасом, хотя по-прежнему возможны временные дефициты поставок.

Такая адаптация рынка была обусловлена оптимизацией потребления молибдена‑99, а также сдвигом в сторону использования других изотопов (о чем ниже). Не следует сбрасывать со счетов и тенденцию к удорожанию технеция‑99m в связи с возникшим на рынке напряжением, расширением циклотронного производства и заменой ВОУ на НОУ при реакторном производстве молибдена‑99.

Между тем на фоне неурядиц вокруг молибдена‑99 на рынке медицинских изотопов обозначилось несколько трендов, которые определят его развитие в среднесрочной перспективе.

Прежде всего, сам рынок непрерывно растет на фоне поступательного развития ядерной медицины. Это происходит за счет ее дальнейшего расширения в традиционно передовых в этой сфере регионах (США, Канада, Европа, Япония, Австралия и др.), а также опережающего развития новых географических рынков — прежде всего в Азии. Хотя оценки объема глобального рынка ядерной медицины сильно разнятся, многие эксперты предсказывают его увеличение до середины 2020-х годов на десятки процентов.

Происходят и качественные сдвиги в этом секторе. Во-первых, на фоне роста ОФЭКТ (в которой чаще всего применяются технеций‑99m, а так же таллий‑201, галлий‑67, йод‑123, рений‑186, индий‑111, ксенон‑133) опережающими темпами увеличивается сектор ПЭТ (двухзначные проценты прироста в некоторые годы по факту и согласно ряду прогнозов). Благодаря этому развивается применение изотопов — излучателей позитронов: фтора‑18, рубидия‑82, галлия‑68, углерода‑11, азота‑13, кислорода‑15; среди них сегодня абсолютно преобладает первый, производимый централизованно и локально на циклотронах.

Во-вторых, растут масштабы лучевой терапии, которая кое-где выходит из разряда второстепенных сегментов рынка ядерной медицины. Это происходит во многом благодаря радиоизотопным приложениям: развитию радиоиммунной терапии, брахитерапии, гамма-ножа, радионуклидных облучательных технологий и пр. Так, продолжает расширяться брахитерапия, где наиболее востребованы йод‑125, цезий‑131, палладий‑103, иридий‑192.

В радиоиммунной терапии сегодня чаще всего применяются йод‑131, иттрий‑90, лютеций‑177, эрбий‑169, самарий‑153, рений‑186, стронций‑89. Среди них по-прежнему преобладает традиционный в этой сфере йод‑131, но быстрее, чем на другие бета-излучающие изотопы, растет спрос на лютеций‑177. Между тем на фоне сохраняющегося активного спроса на бета-эмиттеры намечается технологическая перестройка радиоиммунной терапии: переход к применению альфа-эмиттеров и разработка принципиально новых технологий — нейтронзахватной, фотонзахватной и пр. Пионером клинического применения среди альфа-эмитеров стал радий‑223, который несколько лет назад первым среди таких изотопов начал использоваться на крупнейшем рынке — в США. Следующие на очереди — другие альфа-излучатели, такие как актиний‑225/висмут‑213, производить которые собирается, в частности, американская компания NorthStar, и свинец‑212, ставку на который делает французская Orano Med, уже построившая небольшие демонстрационные мощности во Франции и США.

Реструктуризация на рынке радионуклидов ведет к перестановкам в сегменте стабильных изотопов, емкость которого сегодня оценивается в $ 250−300 млн в год. В частности, сдвиг в сторону ПЭТ и циклотронной наработки ряда медицинских радионуклидов делает более востребованными некоторые стабильные изотопы, такие как кислород‑18 (из него производят главную радиометку для ПЭТ — фтор‑18). Другой пример: развитие нейтронзахватной терапии в ее основном варианте с бором (а существуют и варианты, например, с гадолинием‑157) может расширить применение стабильного изотопа бор‑10, который и без того востребован в других секторах атомного рынка.

Диверсификация на рынке изотопов сопровождается сдвигом части спроса в сторону короткоживущих нуклидов, а это приводит к необходимости приближения их производства к местам потребления: организации наработки на ускорителе, централизованной в масштабе района или города, либо установки циклотронов непосредственно в медицинских учреждениях, осуществляющих лучевую терапию и диагностику. Это, в свою очередь, стимулирует развитие циклотронных технологий производства и ставит вопрос об их унификации, распространении на более широкий круг нуклидов, включая некоторые из тех, что традиционно производились в реакторах.

Яркий пример — развитие подобных технологий в отношении молибдена‑99 и технеция‑99m: хотя всегда считалось, что такое производство стоит дороже и дает продукт более низкого качества, многие участники рынка надеются повысить эффективность этого способа и использовать преимущества от сокращения транспортировки либо полного исключения покупки изотопа на рынке и его перевозки. К тому же переход реакторного производства с ВОУ на НОУ ведет к его удорожанию, тем самым несколько добавляя конкурентоспособности альтернативным методам получения этих изотопов.

В общем, расширение ядерной медицины и развитие ее технологий провоцируют целую серию структурных и технологических сдвигов на рынке изотопов по принципу домино. В ближайшее десятилетие следует ждать не только появления спроса на целую плеяду новых для рынка радиоизотопов, но и усложнения конкурентной ситуации. Наряду с глобальными поставщиками, которые смогут заранее сделать удачные ставки на те или иные новые нуклиды, в некоторых сегментах этого рынка разовьются в невиданных масштабах «натуральное хозяйство» или внутрирегиональная торговля изотопной продукцией. Выиграют от этого, пожалуй, поставщики стабильных изотопов, циклотронного и химического оборудования. Но это уже совсем другая история.