IT202000005815A1

IT202000005815A1 - Dispositivo di irraggiamento a flusso di neutroni veloci provvisto di un supporto perfezionato per un bersaglio da irraggiare e relativo metodo

Info

Publication number: IT202000005815A1
Application number: IT102020000005815A
Authority: IT
Inventors: Piero Agostini; Marco Capogni
Original assignee: Enea Agenzia Naz Per Le Nuove Tecnologie Lenergia E Lo Sviluppo Economico Sostenibile
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2021-09-18
Also published as: WO2021186391A1; US20230187089A1; EP4122300A1

Description

Dispositivo di irraggiamento a flusso di neutroni veloci provvisto di un supporto perfezionato per un bersaglio da irraggiare e relativo metodo Fast-neutron radiating device with an improved support for a target of radiations and radiating method thereof

DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

La presente invenzione si riferisce a un dispositivo di irraggiamento a flusso di neutroni veloci per produrre isotopi radioattivi, ad esempio tecnezio-99 metastabile (Tc-99m), per applicazioni di medicina nucleare.

STATO DELL'ARTE

E? noto irraggiare un bersaglio, contenente del materiale da attivare, tramite un flusso di neutroni veloci allo scopo di ottenere isotopi radioattivi che, dopo ulteriori trattamenti, sono utilizzati in dispositivi di medicina nucleare. Ad esempio, a partire da un bersaglio di molibdeno naturale, contenente una percentuale di molibdeno-100 (Mo-100), ? possibile ottenere molibdeno-99 (Mo-99), da cui si ha Tc-99m, dopo irragiamento di neutroni veloci _(di energia 14 MeV circa) all?interno di una camera a vuoto.

E? sentita l?esigenza di aumentare la produttivit? di tale processo che, al momento, ha una resa molto bassa nelle normali condizioni di irraggiamento con neutroni veloci, e richiede impianti di elevata energia per produrre tali neutroni.

SCOPI E RIASSUNTO DELL'INVENZIONE

Lo scopo della presente invenzione ? di fornire un dispositivo di irraggiamento perfezionato in grado di soddisfare l?esigenza sopra specificata. Lo scopo della presente invenzione ? raggiunto tramite un dispositivo d?irraggiamento comprendente: 1) un acceleratore elettrostatico per ioni (deutoni D+ e/o tritoni T+) o un laser, tale da costituire un fascio primario ad alta energia;

2) una camera da vuoto, in cui viaggia preferibilmente anche in modo parallelo il fascio primario, comprendente:

a) uno strato di materiale attivo su un definito e idoneo supporto, disposto ad esempio ortogonalmente alla direzione del fascio primario e atto a generare, quando colpito da tale fascio, un intenso flusso di neutroni veloci, ad esempio di energia 2.45 MeV o 14.1 MeV;

b) un bersaglio di materiale da irraggiare disposto dalla stessa parte di provenienza di detto fascio rispetto allo strato di materiale attivo.

Secondo tale configurazione, nel semispazio di provenienza del fascio, la propagazione per lo pi? sferica, a meno di leggere asimmetrie, poco rilevanti ai fini della produzione di neutroni e dovute a motivi di fisica della reazione, del flusso di neutroni colpisce direttamente il bersaglio e ci? rende particolarmente efficace la reazione nucleare di produzione nel bersaglio dell?isotopo radioattivo. Essendo in una camera a vuoto, il bersaglio pu? essere disposto a una distanza variabile dallo strato di materiale attivo ma, per raccogliere il maggior numero di neutroni emessi nel semispazio di provenienza del fascio primario, occorre, nell?ipotesi di una geometria emisferica del bersaglio, che il centro dell?emisfera, di raggio R, sia il pi? possibile vicino allo strato attivo, compatibilmente con l?ingombro dei materiali che lo costituiscono, e lasuperficie utile di tale emisfera sia pari a 2?R<2 >meno la superficie del foro necessario per il passaggio del fascio primario. La scelta delle dimensioni di R deve essere tale da massimizzare l?attivit? prodotta nel bersaglio. Pertanto, a parit? di dimensioni del bersaglio, la resa ? massima quando la distanza del bersaglio dallo strato attivo ? minima.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il bersaglio comprende una cavit?, preferibilmente un foro passante ed ? disposto in modo che, in uso, il fascio primario attraversi la cavit? e raggiunga lo strato attivo senza ostacoli. Preferibilmente, il bersaglio ? definito inoltre da due concavit? con una prima e una seconda curvatura in modo da individuare un guscio semisferico e, in uso, il bersaglio ? disposto in modo tale che i neutroni siano in direzione radiale a tale superficie a meno del foro passante attraverso cui i neutroni continuano il loro cammino senza essere intercettati.

In questo modo, i neutroni prodotti e propagantesi sfericamente intercettano uniformemente la maggiore quantit? di bersaglio, aumentando la resa in attivit? dell?intero impianto. Il bersaglio pu? assumere anche forme differenti da quella a guscio semisferico descritta, che ? adatta a uniformare l?esposizione usando la minore massa di materiale bersaglio. In particolare possono essere usate tutte quelle forme che come la piastra forata o il cilindro forato che, dotate di foro passante, possano essere disposte a distanza ravvicinata rispetto alla superficie attiva, allo scopo di intercettare i neutroni emessi in un angolo solido di apertura prossima a quella della semisfera (2 pi greco). Inoltre, il fascio primario ? preferibilmente perpendicolare a una tangente dello strato attivo in un piano che contiene il fascio stesso in modo da poter irraggiare il bersaglio in modo simmetrico. Preferibilmente, lo strato attivo ? piano ma pu? anche assumere una configurazione ondulata atta a maggiorare la superficie esposta e conseguentemente ridurre il flusso termico a cui ? soggetto.

Secondo una forma di realizzazione preferita, il supporto ? mobile e lo strato di materiale attivo ? applicato sul supporto lungo un percorso tale che, mentre il supporto ? in movimento, il fascio primario intercetta una porzione dello strato di materiale attivo per generare il flusso di neutroni.

Tramite il movimento preferibilmente rotatorio, del supporto sono colpite in successione dal fascio primario porzioni adiacenti dello strato di materiale attivo. Dal momento che l?impatto col fascio genera una notevole quantit? di calore, il moto del supporto, durante il funzionamento del dispositivo (acceleratore o laser) che genera il fascio primario, consente alle porzioni di supporto gi? colpite dal fascio primario di uscire gradualmente dal raggio d?azione di quest?ultimo consentendo al calore di smaltirsi per conduzione e irraggiamento.

Secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, il dispositivo d?irraggiamento comprende un circuito di raffreddamento configurato per asportare calore dal supporto e disposto in modo che il bersaglio e il fascio primario siano dalla stessa parte rispetto al piano identificato dallo strato attivo, affinch? il flusso di neutroni non attraversi l?acqua del circuito di raffreddamento mentre raggiunge il bersaglio.

Il circuito di raffreddamento, per potenze significative ? sempre presente, sia in combinazione al supporto mobile sia in presenza di supporto fisso. Il fatto che il flusso secondario di neutroni non attraversi il circuito di raffreddamento ma attraversi un semispazio vuoto mentre raggiunge il bersaglio, aumenta considerevolmente la resa del dispositivo di irraggiamento. Occorre notare che ? anche possibile disporre un ulteriore bersaglio da parte opposta del fascio primario rispetto allo strato attivo. Tale ulteriore bersaglio ? tuttavia interessato da neutroni con intensit? ed energia ridotte a seguito del passaggio attraverso il circuito di raffreddamento, e.g. acqua in tubi di rame.

Inoltre, il controllo della temperatura consente alla reazione di fusione che produce i neutroni veloci di avere luogo correttamente.

Secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, il dispositivo comprende un?ulteriore acceleratore elettrostatico o laser, un?ulteriore strato di materiale attivo applicato sul supporto e un ulteriore bersaglio, preferibilmente disposti da parte opposta dei detti acceleratore o laser, strato attivo e bersaglio gi? menzionati rispetto a un piano passante per il detto supporto, il detto ulteriore acceleratore o laser essendo configurato per generare un ulteriore fascio primario di energia per colpire l?ulteriore strato di materiale attivo e generare un ulteriore flusso di neutroni veloci per l?ulteriore bersaglio.

La configurazione di mantenere bersaglio e fascio primario dalla stessa parte rispetto allo strato di materiale attivo consente in modo compatto di utilizzare in modo efficace i neutroni prodotti senza che questi si degradino in energia e in intensit?, compatibilmente con le prestazioni del sistema di raffreddamento del supporto.

Secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, lo strato di materiale attivo comprende Trizio (nel caso di un acceleratore elettrostatico di D+), ovvero una miscela di Trizio e Deuterio (nel caso di un fascio laser), e il bersaglio comprende Molibdeno-100.

Ci? consente di ottenere Tecnezio-99 metastabile per applicazioni in dispositivi di medicina nucleare di diagnostica per immagini, quali la SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography).

Altri vantaggi della presente invenzione sono discussi nella descrizione e citati nelle rivendicazioni dipendenti.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

L?invenzione ? descritta nel seguito sulla base di esempi non limitativi illustrati a titolo esemplificativo nelle seguenti figure, che si riferiscono rispettivamente a:

- Fig. 1 una vista schematica di un dispositivo d?irraggiamento secondo la presente invenzione; e

- Fig. 2 ? una sezione schematica di una forma preferita di realizzazione di un elemento di figura 1.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE

La presente invenzione riguarda il posizionamento, relativamente ad una sorgente di neutroni veloci e quasi-monocromatici e.g. di energia 14.1 MeV circa, e la specifica configurazione geometrica di un bersaglio da sottoporre ad irraggiamento neutronico per ottenere elevati flussi di neutroni in condizioni efficaci, ovvero con la giusta energia e non degradati in intensit? e, conseguentemente, che consentono di ottenere rese elevate dell?attivit? prodotta. Secondo un esempio realizzativo, i neutroni sono ottenuti dalla reazione <3>H(d,n)<4>He (D-T), ma si pu? estendere anche a neutroni veloci di energia 2.45 MeV ottenuti dalla reazione <2>H(d,n)<3>H (D-D) ovvero a neutroni veloci di energia 13.36 MeV ottenuti da reazione <2>H(<7>Li,n)<8>Be (D-Li) ovvero a neutroni veloci che hanno uno spettro energetico continuo e che possono essere utilizzati per attivazione di materiali o altre applicazioni. La presente invenzione si applica al settore generale dell?irraggiamento di un bersaglio da parte di un flusso di neutroni e, sulla base dell?energia di questi ultimi, le applicazioni del bersaglio irraggiato sono svariate. Ad esempio, quando l?energia ? di poco superiore a 10 MeV l?applicazione del bersaglio ? anche nel settore della medicina nucleare e quando l?energia ? di qualche, e.g. 2.45, MeV, si possono avere diversi applicazioni in laboratori per lo studio dei materiali irraggiati sia per scienze di base sia per scienze applicate.

Secondo l?esempio preferito in figura 1, il dispositivo di irraggiamento 1 della presente invenzione comprende una camera a vuoto 2, con pressione all?interno tra i 10<-5 >e 10<-9 >bar , un supporto girevole e raffreddato 3 interno alla camera a vuoto 2, uno strato di materiale attivo 4, e.g. Trizio adsorbito su un substrato, e almeno un acceleratore elettrostatico 5 oppure un laser di potenza tale da costituire un fascio primario di alta energia, In uso, gli ioni accelerati definiscono un fascio primario di energia che intercetta lo strato di materiale attivo 4 in modo da generar un flusso di neutroni che si propaga sfericamente, i.e. in modo equiprobabile su tutto l?angolo solido. Il dispositivo 1 comprende inoltre un bersaglio 6 di materiale da irraggiare, e.g. Molibdeno 100, mantenuto da un porta-campioni 7 in una posizione affacciata allo strato di materiale attivo 4. Preferibilmente, il bersaglio 6 ? sagomato tenendo conto di area e profilo della sezione normale del fascio primario nonch? della dimensione della camera da vuoto, in modo da massimizzare la frazione di neutroni che pu? essere intercettata. A titolo di esempio, un bersaglio 6 di forma cilindrica avente altezza H e foro interno di raggio R, raccoglie la frazione, f, di fascio secondario approssimativamente pari a f = (2*?*H*R-?*R2)/ (4*?*H2). Per adeguati valori di H e di R (con H >2*R), la frazione dunque di neutroni intercettati si avvicina al 50% del totale di neutroni disponibili.

Secondo l'invenzione, il bersaglio 6 ? disposto nel semispazio di provenienza del fascio di particelle cariche o del fascio laser (fascio primario) senza tuttavia interferire con lo stesso. Le configurazioni possibili sono numerose, in termini di disposizioni e geometrie utilizzabili. In ogni caso il bersaglio 6 definisce un foro centrale per consentire il passaggio del fascio di particelle cariche accelerate (fascio primario) dirette verso lo strato di materiale attivo 4. Inoltre, il bersaglio 6 definisce una superficie cava i.e. concava esposta alla sorgente di neutroni, per raccoglierne in modo uniforme il maggior numero di neutroni emessi dallo strato di materiale attivo limitandone le dispersioni. Con queste prescrizioni, la forma pi? semplice per il bersaglio 6 ? quella di un cilindro coassiale con la direzione del fascio primario, avente un foro passante 8 di area adeguata a consentire il passaggio del fascio stesso senza ostacoli. Tuttavia non si possono escludere, ad esempio, geometrie emi-sferiche e/o emi-toroidali, che possono aumentare la frazione di neutroni intercettati dal bersaglio 6 avvicinandola al valore del 50% dell?intero flusso di neutroni prodotto, i.e. i neutroni sono rilasciati sia verso il bersaglio 6 che verso il supporto 3 e i neutroni che sono diretti in quest?ultima direzione perdono rapidamente energia a causa degli ostacoli incontrati, e.g. il supporto stesso, il circuito di raffreddamento etc. Pertanto, il valore del 50% ? un valore limite che, a causa del foro passante del bersaglio, non sar? mai raggiunto.

In uso, il fascio accelerato di particelle cariche (fascio primario), costituito da deutoni (D+), diretto verso lo strato di materiale attivo 4 su cui ? impiantato trizio (T), attraversa, senza essere disturbato, il bersaglio 6 posto in posizione vicina allo strato 4. La reazione D-T produce neutroni a 14 MeV circa di energia. L?uso di Litio-7 sullo strato attivo comporta, invece, reazioni D-Li7 con produzione di neutroni da 13.36 MeV di energia. L?uso di Deuterio impiantato sullo strato attivo comporta reazioni D-D con produzione di neutroni da 2.45 MeV. Il bersaglio 6, che pu? e.g. avere anche forma a guscio concavo con foro passante, con asse coincidente con la direzione del fascio di deutoni accelerati. Tramite il porta-campioni 7 un operatore pu? sostituire il materiale da irraggiare a fine operazione. Il bersaglio 7 ? preferibilmente posizionato vicino allo strato 4 quanto pi? possibile ma, in caso di supporto 3 rotante, senza ostacolare la rotazione che si rende necessaria nei sistemi ad elevata potenza per smaltire l?energia termica.

Nel semispazio opposto a quello di provenienza del fascio primario, rispetto alla superficie attiva, ? possibile, compatibilmente con i materiali di ingombro utilizzati per raffreddare la stessa, posizionare, sempre nella camera a vuoto 2, un bersaglio 6? aggiuntivo. In tal modo si realizzano le condizioni per cui i neutroni, emessi a 4? nella reazione nucleare di fusione, D-T, D-<7>Li, o D-D, che si realizza sulla superficie attiva, vengano utilizzati nella massima condizione di efficienza geometrica. Risulta infine chiaro che al dispositivo d?irraggiamento a neutroni veloci qui descritto e illustrato ? possibile apportare modifiche o varianti senza per questo uscire dall?ambito di tutela come definito dalle rivendicazioni allegate.

E? possibile realizzare bersagli di svariati materiali, quali ad esempio Ramenaturale ovvero ancora meglio Zinco-naturale su cui indurre reazioni del tipo Cu-65(n,2n)Cu-64 Zn-64(n,p)Cu-64 per produzione di Rame-64 che ? un radioisotopo teranostico.

Il vantaggio di usare i neutroni a 14 MeV per produrre Cu-64, che si produce anche con i ciclotroni (reazioni n., p su Nichel-64), ? che non si deve usare il Nichel che ? molto costoso e ha un?estrazione e produzione estremamente localizzata e quindi soggetta a vincoli.

Per esempio anche l?In-111, che ? un altro radioisotopo per la medicina, si pu? ottenere da un generatore di Sn-111 a sua volta prodotto da reazione Sn-112(n,2n)Sn-111 con neutroni a 14 MeV.

Il bersaglio 6 pu? avere ulteriori sagome con una cavit? disposta in modo tale da consentire al fascio di energia primario di raggiungere lo strato attivo 4. Ad esempio il bersaglio pu? avere una sezione trasversale a forma di U, malgrado in questo caso la resa sia inferiore rispetto ad avere un foro passante e chiuso in direzione circonferenziale.

La reazione di fusione e il fascio di energia che la innesca generano una grande quantit? di calore e, in particolare quando sono presenti pi? fasci primari, un gruppo di raffreddamento del dispositivo d?irraggiamento 1 comprende un fluido di raffreddamento di bordo portato dal supporto 3 e un secondo fluido di raffreddamento in scambio termico con il primo fluido di raffreddamento attraverso le pareti del supporto 3.

Ad esempio, il supporto 3 ? cavo e sigillato. Il supporto presenta inoltre un corpo centrale 10 con pareti inclinate 11 e una flangia 12 sporgente dalle pareti inclinate e sulla quale ? disposto lo strato attivo 4. Quando il supporto 3 ? in rotazione mediante un motore, e.g. un motore rotativo che conduce un pignone ingranante in una ruota dentata 13 fissata al supporto 3, il liquido refrigerante risale per azione della forza centrifuga lungo le pareti inclinate verso la flangia 12.

Quindi, il fascio primario d?energia innesca la reazione di fusione nucleare. Una volta iniziata tale reazione, la potenza termica rilasciata sullo strato attivo 4 provoca il primo cambio di fase del primo fluido refrigerante e il primo fluido, preferibilmente acqua, evapora. In particolare, il vapore e il fluido refrigerante ancora liquido generano un gradiente di pressione tra una testa 14 del supporto 3, verso la quale divergono le pareti laterali 11 e dove si trova la flangia, e un fondo 15 del supporto 3.

Quindi, la differenza di pressione sposta il vapore generato verso il fondo 15, provocando il secondo cambiamento di fase, vale a dire la condensazione del vapore. In particolare, il vapore, impattando sulla superficie laterale 11 e preferibilmente su una base 16, realizza il secondo cambiamento di fase. Pi? in dettaglio, il vapore, per condensazione, scambia calore con il secondo liquido refrigerante mantenuto a una temperatura inferiore.

Dopo il secondo cambio di fase, il primo fluido refrigerante migra di nuovo verso la flangia 12 di testa spinto dalla forza centrifuga dovuta alla rotazione del supporto 3.

Vantaggiosamente, il supporto 3 perfettamente sigillato consente di sostituire il supporto stesso, se necessario, evitando perdite nell'ambiente esterno di prodotti radioattivi eventualmente contenuti nel primo fluido. In particolare, nel caso in cui il primo fluido refrigerante sia l'acqua, il supporto cavo sigillato 3 evita la fuoriuscita dell'acqua di trizio prodotta durante il funzionamento del dispositivo 1.

Il corpo centrale 10 ? immerso almeno in parte in una vasca 17 all?interno della quale il secondo fluido raffredda il primo fluido. La camera a vuoto 2 pu? contenere per intero o in gran parte il corpo centrale 10 oppure, tramite opportune tenute, contenere la sola parte del supporto 3 su cui ? riportato lo strato attivo 4 e il bersaglio 6.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo d?irraggiamento (1) comprendente almeno una camera a vuoto (2), un generatore di un fascio energetico primario (5) per produrre un fascio primario di energia all?interno della camera a vuoto (2), e uno strato di materiale attivo (4) portato da un supporto (3) nella camera a vuoto (2) per generare un flusso intenso di neutroni quando sul materiale attivo ? innescata una reazione di fusione nucleare grazie all?energia del detto fascio, e almeno un bersaglio (6) di materiale da irraggiare nella camera a vuoto (2), in cui il bersaglio (6) ? disposto dalla stessa parte di provenienza del fascio primario rispetto allo strato di materiale attivo (4).
2. Dispositivo d?irraggiamento secondo la rivendicazione 1, in cui il bersaglio (6) comprende una cavit? ed ? disposto in modo che, in uso, il fascio primario attraversi la cavit? e raggiunga lo strato attivo (4).
3. Dispositivo d?irraggiamento secondo una delle rivendicazioni 1 o 2, in cui il supporto (3) ? mobile e lo strato di materiale attivo (4) ? applicato sul supporto lungo un percorso tale che, mentre il supporto ? in movimento, il fascio primario intercetta una porzione dello strato di materiale attivo per generare il flusso di neutroni.
4. Dispositivo d?irraggiamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un circuito di raffreddamento configurato per asportare calore dal supporto e disposto in modo che lo strato di materiale attivo e il fascio primario siano dalla stessa parte rispetto al circuito di raffreddamento in modo che il flusso di neutroni non attraversa il circuito mentre raggiunge il bersaglio.
5. Dispositivo d?irraggiamento secondo le rivendicazioni 3 e 4, in cui il supporto ? cavo e girevole e comprende un corpo centrale (10) con pareti laterali inclinate (11) divergenti verso una flangia di testa (12) che porta lo strato attivo (4) e il circuito di raffreddamento comprende un primo fluido di raffreddamento sigillato all?interno del supporto (3) per raggiungere la flangia di testa (12) e un secondo fluido di raffreddamento disposto in scambio termico con il primo fluido di raffreddamento attraverso le pareti laterali inclinate (11).
6. Dispositivo d?irraggiamento secondo una delle rivendicazioni 4 o 5, comprendente un?ulteriore generatore di un fascio energetico primario, un?ulteriore strato di materiale attivo applicato sul supporto e un ulteriore bersaglio, preferibilmente disposti da parte opposta dei detti generatore di fascio energetico primario, strato attivo e bersaglio rispetto a un piano passante per il detto supporto, il detto ulteriore generatore di fascio energetico primario essendo configurato per generare un ulteriore fascio primario di energia per colpire l?ulteriore strato di materiale attivo e generare un ulteriore flusso di neutroni veloci per l?ulteriore bersaglio.
7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui lo strato attivo (4) comprende Trizio e il bersaglio comprende Molibdeno-100.
8. Metodo d?irraggiamento in una camera a vuoto al cui interno ? disposto un supporto (3) e uno strato attivo (4) portato dal supporto, comprendente le fasi di: - affacciare un bersaglio (6) avente una cavit? sullo strato attivo (4) - emettere un fascio energetico primario diretto sullo strato attivo (4) attraverso la cavit?; - innescare una reazione di fusione nucleare sullo strato attivo (4) tramite il fascio energetico primario in modo che un flusso di neutroni intercetti in modo efficace (non degradato in energia e in intensit?) il bersaglio (6).