Коротко

Новости

Подробно

Уникальный метод диагностики из отходов водородной бомбы

Журнал "Коммерсантъ Наука" от , стр. 76

Ядерная физика из производителя средств массового поражения постепенно превращается во врачевателя массовых болезней. Примерами являются молибден-99 и гелий-3. Несмотря на финансово-экономические кризисы, ядерная медицина, использующая радиоактивные изотопы, а также редкие продукты радиационного распада, развивается небывалыми темпами.

Состав и строение гелия-3


Ядро гелия-3 (гелион) состоит из двух протонов и одного нейтрона, в отличие от гелия-4, хорошо известного нашим детям по надувным шарикам. Природная изотопная распространенность гелия-3 составляет 0,000137 % (в атмосфере Земли; в других резервуарах она может очень сильно отличаться в результате природного фракционирования). Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается в 35 тыс. тонн. Его поступление из мантии в атмосферу (через вулканы и разломы в коре) составляет всего несколько килограмм в год. В лунном реголите гелий-3 постепенно накапливался в течение миллиардов лет облучения солнечным ветром. В результате тонна лунного грунта содержит 0,01 г гелия-3 и 28 г гелия-4; это изотопное соотношение (~0,04 %) значительно выше, чем в земной атмосфере.

В медицине гелий-3 незаменим


Поляризованный гелий-3 с 1995 года начал использоваться в магнитно-резонансной томографии для получения изображения легких с помощью ядерного магнитного резонанса. Смысл диагностики в том, что гелий вдыхается пациентом и попадает в самые дальние закоулки легких. Получаются ЯМР-"фото" с разрешением на порядок выше лучших рентгеновских снимков (см. "ЯМР диагностика на гелии-3"). Имеется возможность построения детальной карты парциального давления кислорода в каждом участке легких и потом сделать заключение о качестве кровяного потока и диффузии кислорода в капиллярах. Можно также понять локальное соотношение между структурой и газообменом в легких.

Только в США имеется 35 млн пациентов с проблемами легких, в частности с астмой, фиброзом и эмфиземой, а также раком. Если принять такую долю (около 10%), то в России подобных больных может быть до 15 млн человек.

ЯМР на гелии-3 позволяет исследовать болезни на микроструктурном уровне альвеол! Метод позволяет преодолеть сорокалетний застой в пульмонарной медицине. Диагностировать у пациентов пульмонарные нарушения очень важно, потому что это влияет на прогноз летальности. В этой связи медики заговорили о ренессансе в пульмонарной медицины. До 2020 года ожидаются существенные прорывы в профилактике и лечении массовых легочных заболеваний.

Альтернатив гелию-3 нет. Конкурентом является изотоп инертного газа ксенона-129, но он не дает таких четких изображений, как гелий-3, по ряду причин, как-то: магнитный момент в три раза меньше, что обуславливает слабый сигнал в ЯМР; дороговизна обогащения 129-го из-за близости массы с другими изотопами ксенона (девять стабильных изотопов с массами от 124 до 136); достижимая поляризация ниже. Кроме того, ксенон-129 обладает седативным эффектом и не может быть использован для детей.

В настоящее время медицина США держит рекорд по ЯМР на гелии-3 и потребляет примерно 2 тыс. л/год.

Главная проблема — в дороговизне


С использованием гелия-3 можно получать томограммы легких, недоступные никакому другому диагностическому методу. Медики ожидают прорыва в пульмонарной медицине. На фото: диагностика муковисцидоза (цистического фиброза) при помощи гелиевой томограммы

С использованием гелия-3 можно получать томограммы легких, недоступные никакому другому диагностическому методу. Медики ожидают прорыва в пульмонарной медицине. На фото: диагностика муковисцидоза (цистического фиброза) при помощи гелиевой томограммы

Дороговизна обусловлена малодоступностью гелия-3. Аукционная цена гелия-3 в 2010 году была порядка $2000 за литр. По-видимому, такой уровень цены сохраняется и сейчас. Источники в США утверждают, что рекорд цены принадлежит России — $5700 за литр (продано в 2008 году некоей германской фирме), но такая цена слишком высока для гражданских применений.

По оценкам экспертов, наибольшая доля гелия-3 использована в США (его закачивают в нейтронные детекторы, чтобы засечь попытки завоза "левых" ядерных материалов/бомб). Такие детекторы, а их изготовлено не менее 100 тыс. комплектов, регистрируют нейтроны по реакции (n,p) — захвату нейтрона и испусканию протона (см. "Счетчики нейтронов").

Большая часть американского запаса 3He обязана своим происхождением распаду трития, произведенного во время ядерной гонки вооружений. В США к 2003 году было накоплено примерно 260 тыс. л "сырого" (неочищенного) гелия-3. Но к 2010 году имелось только 12 тыс. л незадействованного гелия-3. В 2007 году США восстановили производство трития в ограниченном количестве именно для последующего получения гелия-3. До 2015 года планируется дополнительно получать по 8 тыс. л ежегодно. Спрос же, по оценкам специалистов из Управления Белого дома по науке и технике, составляет не менее 40 тыс. л/год с тенденцией к устойчивому росту. США снабжают нейтронными детекторами своих союзников, в частности Англию, Германию, Францию и Швейцарию. Разумеется, инженеры стремятся сократить расходы гелия-3 в портальных детекторах, самых крупных потребителях этого газа, но радикальным образом это сделать не удается.

"Это (дефицит гелия-3) превратилось сегодня в огромную проблему для национальной безопасности", — считает президент Федерации американских ученых Чарльз Фергюсон.

В апреле 2010 года комитет по науке и технологии Палаты представителей конгресса заключил на слушаниях, что нехватка гелия-3 приведет к негативным последствиям для "многих и многих областей". Даже ядерные ученые, например из Массачусетского технологического института, испытывают трудности с приобретением гелия-3 из госзапасов (нужно обоснование и разрешение госдепартамента).

Можно предположить, что существенные запасы и трития, и гелия-3 есть и в другой ядерной державе — в нашей стране. Известно, что главным здесь является ФГУП ПО "Маяк" (г. Озерск). Однако точные данные по гелию-3 не публиковались.

Планы добычи гелия-3 на Луне


В лунном грунте — реголите — гелий-3 накапливался в течение миллиардов лет солнечного облучения. Поэтому изотопное отношение гелия-3 к гелию-4 на Луне на два порядка выше, чем на Земле

В лунном грунте — реголите — гелий-3 накапливался в течение миллиардов лет солнечного облучения. Поэтому изотопное отношение гелия-3 к гелию-4 на Луне на два порядка выше, чем на Земле

Фото: NASA/GSFC/Arizona State University

Стало модно говорить о лунной станции. Затраты на ее строительство очень велики, но добыча гелия-3 и доставка его на Землю частично окупит проект. Населению нашей планеты лунного ресурса гелия-3 должно хватить как минимум на ближайшее тысячелетие. Основной проблемой остается реальность добычи гелия из лунного реголита. Как упомянуто выше, содержание гелия-3 в реголите составляет ~1 г на 100 т. Поэтому для добычи тонны этого изотопа следует переработать не менее 100 млн тонн грунта.

В промышленных масштабах можно наладить добычу гелия-3 на Луне по следующей схеме:

1) добыча реголита с поверхности экскаваторами (забирается верхний слой толщиной 2 м);

2) доставка сырья на гелий-извлекательную фабрику;

3) десорбция гелия путем нагрева до 800°C с помощью солнечного света, сконцентрированного пластмассовыми линзами или зеркалами;

4) разделение изотопов гелия-3 и 4 в две ступени через охлаждение и использование эффекта сверхтекучести;

5) доставка гелия-3 в контейнерах на Землю.

Китай уже практически работает над этим. Год назад успешно запущен к Луне аппарат "Чанъэ-2". А в 2012 или 2013 году аппарат "Чанъэ-3" осуществит мягкую посадку на Луну. Китайцы не скрывают своих целей: программа "Чанъэ" — подготовка к тому, чтобы отправить на Луну человека, а в будущем построить там базу и начать использовать имеющиеся на Луне ресурсы, в том числе гелий-3.

Пока же лунный завод не заработал, специалисты рассматривают такие скудные источники гелия как

а) тритий, образующийся как побочный продукт в мирных реакторах канадского типа CANDU, которые эксплуатируются в Канаде, Аргентине, Румынии, Китае и Южной Корее;

б) возможная наработка трития в других видах мирных ядерных реакторов;

в) экстракция гелия-3 из природного гелия, содержащегося в натуральном газе.

Перспективы медицины на гелии-3 в России


Человек вынужден пользоваться легкими всю свою жизнь, что называется до последнего вздоха. Ни протезирование, ни трансплантация легких пока невозможны. Поэтому упор делается на раннюю диагностику заболеваний и на купирование болезней.

По данным ВОЗ, в 2008 году респираторные проблемы заняли 3 и 4 места в мире по смертности:

1-е место — коронарная болезнь сердца,

2-е — инсульт и другие цереброваскулярные болезни,

3-е — инфекции нижних дыхательных путей,

4-е — ХОБЛ,

5-е — диареи,

6-е — ВИЧ/СПИД,

7-е — туберкулез,

8-е — рак трахеи/бронхов/легких,

9-е — несчастные случаи на дорогах,

10-е — преждевременное рождение и низкий вес новорожденных.

Эти факты обязывают медицинское сообщество обратиться к правительствам своих стран с обоснованной просьбой повысить финансирование исследований в респираторной медицине.

В сложной медицинской ЯМР-аппаратуре на гелии-3 мы отстаем от передовых стран (США, Германии, Японии и других). В Министерстве здравоохранения и социального развития РФ имеются департамент высокотехнологичной медицинской помощи и департамент инновационной политики и науки. Но пока на сайте министерства поисковая машина на запрос "гелий 3" выдает ноль ответов.

Специализированные Медицинский радиологический научный центр РАМН (Обнинск, Калужская обл.) и Федеральное медико-биологическое агентство ЯМР работы на гелии-3 не ведут.

Для развития российской медицинской промышленности на гелии-3 необходимо привлечение к организации производств зарубежных научных институтов и компаний-производителей оборудования. Внедрение же конкурентоспособных российских приборов позволит ускорить обеспечение потребности населения в эффективных методах изотопной диагностики.

Уже в начале декабря текущего года должна быть утверждена Программа развития ядерной медицины в России в 2012-2016 годах. Она предусматривает создание высокотехнологичных центров медицинской радиологии в Димитровграде, Обнинске и Томске до 2016 года. Центры будут включать лечебно-диагностический комплекс, научно-образовательный и радиохимический блоки.

В мировой практике применяется свыше 130 различных радиодиагностических методов, выполняемых на самой современной аппаратуре и с применением разнообразных радиодиагностических препаратов. При этом в ведущих научно-исследовательских подразделениях России используется не более 30 методик. Реализация всех направлений ядерной медицины позволит увеличить показатель ранней выявляемости злокачественных новообразований на I и II стадиях заболевания с 40% до 75% и снизить показатели смертности на 25-30%.

Владимир Тесленко


Счетчики нейтронов

Газовые счетчики, наполненные гелием-3, используются для детектирования нейтронов. Это наиболее распространенный метод измерения нейтронного потока. В них происходит реакция

n + 3He 3H + 1H + 0,764 МэВ.

Заряженные продукты реакции — тритий и протон — регистрируются газовым счетчиком, работающим в режиме пропорционального счетчика или счетчика Гейгера-Мюллера.

Поиск альтернативных рабочих веществ — например, трифторида бора, литий-содержащего стеклянного волокна, пластикового волокна, кристаллов типа "клик" — пока находится на стадии исследований.

Холодный гелий-3 — квантовая ферми-жидкость

При низких температурах гелий-3 — одна из немногих известных квантовых ферми-жидкостей (к ним относятся также электроны в металлах и полупроводниках, нейтроны в нейтронных звездах, экситоны в экситонных каплях в диэлектрике).

Знаменитое свойство жидкого гелия — сверхтекучесть — первоначально (в 1937 году) открыто Петром Капицей в гелии-4, который является квантовой бозе-жидкостью. В 1972 году сверхтекучесть, с несколько иным механизмом формирования, была обнаружена и в гелии-3.

Комментарии
Профиль пользователя