KR100241231B1 - 보론중성자포획 암치료를 위한 다각형 원자로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중성자포획 암치료를 위한 원자로의 설계에 관한 것으로서, 특히, 원자로의 노심 형태를 다각형으로 구성함으로써 저출력하에서도 충분한 양의 중성자빔을 만들어낼 수 있는 원자로에 관한 것이다.

본 발명에 따른 원자로는 원자로의 노심과 빔튜브로 이루어진다. 원자로의 노심은 핵분열을 일으키면서 중성자를 만들어내는 곳으로서, 핵연료 및 제어봉으로 구성된 핵연료집합체와, 반사체의 역할을 하는 중수탱크와, 핵반응시 발생하는 열을 냉각시키는 경수통로로 구성된다. 상기 핵연료집합체는 슬랩형 형태로서 원자로 중심부에 다각형 구조로 배치된다. 또한, 원자로의 빔튜브는 상기 원자로의 노심에서 생성된 고속중성자를 열외중성자나 열중성자로 감속시킬 수 있는 구조로 형성되는데, 상기 핵연료집합체에 대하여 직각방향으로 배치되는 것이 가장 바람직하다.

본 발명에 따른 원자로 시스템을 채택할 경우, 빔튜브 쪽으로 목적하는 중성자를 더 많이 유출시킬 수 있고, 그 중성자의 방향성을 대폭적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 저출력으로도 목적하는 충분한 양의 중성자를 얻을 수 있으므로, 병원 등에 간단한 설치할 수 있다.

Description

보론중성자포획 암치료를 위한 다각형 원자로

본 발명은 중성자폭획 암치료를 위한 원자로의 설계에 관한 것으로서, 특히, 원자로의 노심 형태를 다각형으로 구성함으로써 저동력하에서도 충분한 양의 중성자빔을 만들어낼 수 있는 원자로에 관한 것이다.

오늘날 인간 질병의 하나로서 그 치료에 관심이 모아지고 있는 암치료 기술에는 수술 등의 외과적 방법과, 약물 투여 등에 의한 내과적 방법이 있고, 또한 감마선 조사에 의한 방사선치료법도 개발되고 있으며, 최근에는 보론화합물을 환자에게 투여한 후 열중성자를 그 환자의 치료부위에 조사하여 종양세포를 파괴하는 새로운 방법이 시도되고 있다.

현재 중성자조사에 의한 암치료 기술은 보론화합물이 타물질에 비해 중성자의 흡수율이 현저하게 높을 뿐만 아니라, 임상실험 결과, 인체에 투여된 보론화합물이 어느 부위보다도 종양세포 및 그 주변에 집중적으로 분포되어 있다는 사실에 근거한다.

따라서, 환자에게 보론화합물을 투여한 후 원자로에서 발생한 중성자를 그 환자의 종양부위에 조사하면, 그 종양세포가 상기 중성자의 핵심표적이 되고, 상기 중성자의 핵심표적이 된 그 종양세포가 파괴되어, 결국 그 종양세포만을 선별적이고 국부적으로 그리고 안전하게 제거할 수 있는 것이다. 그리고, 이 방법은 중성자의 흡수율이 극히 뛰어난 보론화합물을 표적핵으로 사용하기 때문에, 기존의 방사선 치료방법인 감마선을 조사하는 것보다 훨씬 좋은 결과를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.

이런 특징을 갖는 중성자의 의학적 이용에 대한 개념은 중성자가 발견된 1930년대에 이미 제안되었고, 1950년대에 미국의 BNL에서는 실제로 임상실험을 행하였으나, 부적절한 중성자빔을 사용한 결과 별다른 효과를 보지 못하였다. 그후 1960년대에 들어와 일본에서 외과수술과 결합한 중성자-보론화합물의 암치료방법이 소개되었으며, 그 치료방법이 매우 효과적이라는 사실이 밝혀지게 되었다. 이를 계기로 중성자-보론화합물 암치료에 필요한 표적핵인 보론화합물과 중성자발생원에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다.

대표적인 중성자발생원으로는 원자로, 자가분열 액티나이드원소, 가속기 등이 있으며, 이를 이용하여 필요한 중성자를 발생시키고 있다. 그리고, 현재 환자치료를 위해서 의학적 용도로 사용되고 있는 것으로는 원자로에서 핵분열시 나오는 중성자를 이용하는 방법만이 임상치료에 응용되고 있을 뿐이다. 이런 종래의 통상적인 원자로 이용방법은 기존 원자로의 빔튜브를 변경하여 중성자-보론화합물 암치료에 필요한 중성자빔을 만들어내고 있다.

그러나, 종래의 보론중성자포획 암치료를 위한 원자로는 제4도에 개략적으로 도시된 바와 같이 핵분열을 일으키는 연료봉(1)의 형태가 원기둥 모양으로 이루어져 있고, 그를 포함하고 있는 노심(2)의 형태도 역시 원기둥 모양으로 이루어져 있으며, 그 주위로 흑연층(3)과, 비스무쓰층(4) 및 알루미늄층(5) 등으로 구성되어 있어서, 이로 인해 핵반응시 발생한 중성자가 그 노심의 주변으로 모두 산란되어 분산되는 단점이 있었다

그런데, 의학적 용도 또는 실험실 용도의 원자로에서 있어서는 핵분열시 발생한 중성자가 특정한 방향으로 균일하게 조사되는 것이 무엇보다도 중요한 바, 종래의 원통형 노심을 가진 원자로에서는 중성자가 노심 주변의 사방으로 분산되므로 필요한 양의 중성자를 얻기 위해서는 그 보다 훨씬 많은 양의 중성자를 발생시켜야 하였고, 이를 위해서는 필요적으로 고출력의 원자로를 사용할 수 밖에 없었으며, 또한 이러한 문제점을 해결하기 위하여 노심의 외부에 핵분열판을 추가로 설치하여야 하는 번거로움이 있었다.

따라서, 본 발명자는 앞으로 중성자-보론화합물 암치료에 대한 수요가 많아질 것으로 예상되는 반면, 기존의 원자로를 제조하여 사용할 경우에는 설계변경으로 인한 어려움이 뒤따를 뿐만 아니라, 필요 이상의 고출력의 원자로를 사용할 수 밖에 없다는 점을 인식하고, 원자로의 노심과 빔튜브의 형태를 개선함으로써 보다 효율적이고 안전하며 경제적인 신형 원자로를 개발하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 저출력으로 원자로가 운전 가능하고, 고효율의 고성능 중성자빔을 만들어 낼 수 있어서, 병원이나 실험실 등에 직접 설치가 가능한 새로운 형태의 원자로를 제공하는 데 그 목적이 있다.

제1도는 본 발명에 따른 원자로의 구성 원리를 나타낸 예시도로서, 슬랩형의 핵연료집합체가 사각형으로 배치된 원자로의 주요부에 대한 단면도이고,

제2도는 제1도의 A-A선 단면도로서, 슬랩형의 핵연료집합체가 사각형으로 배치된 원자로의 주요부에 대한 측단면도이고,

제3도는 본 발명에 따른 원자로가 6각형의 노심을 구성할 경우에 대한 개략적인 예시도이며,

제4도는 종래의 원자로에 대한 주요부의 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 원자로 11 : 핵연료집합체

12 : 중수탱크 13 : 경수통로

14 : 받침대 16 : 철제셔터

20a : 열중성자빔튜브 20b : 열외중성자빔튜브

21 : 흑연층 22 : 비스무쓰층

23 : 리튬-폴리에틸렌층 24 : 개구부분

25 : 알루미늄층 26 : 알루미늄 플로라이드층

27 : 카드뮴 박판 28 : 니켈 격판

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원자로는 그 중앙에 위치하는 노심이 슬랩형 형태의 핵연료집합체로 구성되고, 그의 빔튜브가 다각형 형태의 핵연료집합체에 대하여 소정의 방향, 보다 바람직하기로는 직각 방향으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 원자로는 상기 슬랩형 핵연료집합체가 원자로의 중앙부위에 다각형 형태로 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 원자로는 원자로의 노심과 빔튜브로 이루어진다. 상기 원자로의 노심은 핵분열을 일으키면서 중성자를 만들어내는 곳으로서, 핵연료 및 제어봉으로 구성된 핵연료집합체와, 반사체의 역할을 하는 중수탱크와, 핵반응시 발생하는 열을 냉각시키는 경수통로로 구성된다. 그리고, 핵연료집합체는 슬랩형 형태로서 원자로 중심부에 다각형 구조로 배치된다. 그리고, 원자로의 빔튜브는 상기 원자로의 노심에서 생성된 고속중성자를 열외중성자나 열중성자로 감속시킬 수 있는 구조로 형성되는 데, 상기 핵연료집합체에 대하여 직각방향으로 배치되는 것이 가장 바람직하다.

이렇게 구성된 본 발명에 따른 원자로 시스템을 채택할 경우 빔튜브 쪽으로 목적하는 중성자를 더 많이 유출시킬 수 있고, 그 중성자의 방향성을 대폭적으로 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조로 하여 보다 상세히 설명하겠다.

본 발명에 있어서 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 이를 예시한 것에 불과하며, 본 발명을 첨부도면에 한정시키는 의미로 해석되어서는 안된다.

도면에서, 제1도는 본 발명에 따른 원자로의 구성 원리를 나타낸 예시도로서, 슬랩형의 핵연료집합체가 사각형으로 배치된 원자로의 주요부에 대한 단면도이다.

제1도에 보이듯이, 본 발명에 따른 원자로(10)는 상술한 바와 같이 크게 원자로 노심과 빔튜브로 구성되어 있다. 상기 원자로 노심은 핵분열을 일으키면서 중성자를 만들어내는 핵연료집합체(11)와, 반사체의 역할을 하는 중수탱크(12) 및, 핵반응시 발생하는 열을 냉각시키는 경수통로(13)로 구성되다.

상기 핵연료집합체(11)는 슬랩형 형태로서 원자로 중심부에 다각형 구조로 배치된다. 이러한 다각형 구조는 3각형에서 12각형, 또는 그 이상의 다각형을 구성할 수 있으나, 필요에 따라 적당한 형태로 한정하여 제작될 수 있고, 가장 보편적으로 사용되는 배치구조는 4각형이나 6각형이 될 것이다.

그리고, 이런 핵연료집합체(11)는 그 내부에 통상적으로 사용되는 저농축도의 우라늄 연료봉을 충진하여 핵분열반응을 일으키고, 그 반응결과 필요로 하는 중성자를 발생시키며, 그 내부에 충전된 제어봉은 통상의 방법과 마찬가지로 핵반응의 속도를 조절하는 기능을 수행한다.

본 발명에서 있어서, 중수탱크(12)는 상기 핵연료집합체(11)의 안쪽에 위치하여 핵분열 입자에 대한 반사체로서 기능을 한다. 이러한 중수탱크(12)는 알루미늄으로 이루어진 구조물에 중수를 채운 형태로서 그 중앙분위에 경수(냉각수)가 흐를 수 있는 구조이며, 그 아래의 받침대(14)에 의해 지지된다. 또한, 본 발명에 있어서 감속재 및 냉각재로서 경수를 사용한다. 이런 경수는 핵연료집합체(11)의 내부에 거쳐 상기 중수탱크(12)의 안쪽 중앙으로 연결되는 경수통로(13)를 통과하여 계속 순환하면서, 핵반응시 발생한 열량을 효율적으로 냉각시키는 역할을 한다.

그리고, 본 발명에 따른 원자로는 상기 슬랩형 핵연료집합체(11)의 개수와 완전히 일치되는 개수만큼의 빔튜브를 필요로 한다. 상기 빔튜브는 원자로의 용도에 따라 그 구성요소를 달리 할 수 있으나, 의학적 용도 또는 환자치료용의 경우에는 열중성자빔튜브(20a)와 열외중성자빔튜브(20b)로 구성하는 것이 바람직하다.

이런 빔튜브는 상기 슬랩형 핵연료집합체(11)와 서로 1:1로 대응하고, 상기 슬랩형 핵연료집합체(11)에 대해 직각방향으로 배치되는 것이 바람직하다. 그리고, 열중성자빔튜브(20a)는 원자로의 중앙 안쪽에서 바깥쪽으로 흑연층(21)과, 비스무쓰층(22) 및, 개구부분(24)이 형성된 리튬-폴리에틸렌층(23)으로 구성되며, 이들의 좌우 격벽은 니켈 격판(28)으로 둘러싸여 있다.

그리고, 상기 흑연층(21)은 핵분열시 나온 중성자를 열중성자로 감속시키고, 비스무쓰층(22)은 핵분열시 발생한 감마선을 흡수하며, 리튬-폴리에틸렌층(23)은 흑연층(21)과 비스무쓰층(22)을 통과하여 도달한 열중성자를 흡수하는 역할을 한다. 따라서, 핵분열시 발생한 중성자 중에서 에너지가 비교적 낮은 열중성자만 선택적으로 상기 개구부분(24)으로 방사된다. 이 때, 상기 개구부분(24)으로 방사된 열중성자는 비교적 에너지가 낮으므로 환자의 피부 등에 위치한 종양세포의 치료에 적합하다.

한편, 열외중성자빔튜브(20b)는 원자로의 중앙 안쪽에서 바깥쪽으로 알루미늄층(25) 및 알루미늄 플로라이드층(26)과, 카드뮴 박판(27)과, 비스무쓰층(22) 및 개구부분(24)이 형성된 리튬-폴리에틸렌층(23)으로 구성되며, 이들의 좌우 격벽은 니켈 격판(28)으로 둘러싸여 있다.

상기 알루미늄층(25) 및 알루미늄 플로라이드층(26)은 핵분열시 나오는 중성자 중에서 고에너지의 고속중성자를 차폐하고, 카드뮴 박판(27)은 비교적 낮은 에너지를 가진 열중성자를 차폐하는 역할을 한다. 그리고, 비스무쓰층(22)은 핵분열시 발생한 감마선을 흡수하고, 리튬-폴리에틸렌층(23)은 알루미늄층(25)과 알루미늄 플로라이드층(26) 및 카드뮴 박판(27)을 통과하여 도달한 열중성자를 흡수하는 역할을 한다. 따라서, 핵분열시 발생한 중성자 중에서 에너지가 비교적 높은 열외중성자만 선택적으로 상기 개구부분(24)으로 방사된다. 이 때, 상기 개구부분(24)으로 방사된 열외중성자는 비교적 에너지가 높으므로 환자의 체내에 존재하는 종양세포의 치료에 적합하다.

도면에서, 제2도는 제1도의 A-A선 단면도로서, 슬랩형의 핵연료집합체가 사각형으로 배치되는 원자로의 주요부에 대한 측단면도를 나타내고, 본 발명에 따른 원자로의 각종 구성부분 및 이들의 작용원리를 함축적으로 설명해주고 있다. 도면에서, 미설명부호 15는 방사능 유출을 방지하기 위한 콘크리트 벽체이고, 16은 보론을 함유한 폴리에틸렌 처리된 철제셔터이다. 이런 철제셔터(16)는 실험 중이거나 또는 환자의 치료시에는 제2도와 같이 위쪽으로 들어 올려져 빔튜브의 개구부분(24)으로 필요한 중성자가 방사되도록 하지만, 실험준비, 환자의 치료대기 또는 원자로의 비정상 가동시에는 알로 내려놓음으로써 중성자가 외부로 방사되는 것을 막아준다.

도면에서, 제3도는 본 발명에 따른 원자로가 6각형의 노심을 구성할 경우에 대한 개략적인 예시도이다. 이 경우에 있어서도, 원자로가 6개의 핵연료집합체(11)아 6개의 빔튜브(20a,20b)로 구성된다는 것을 제외하고는, 상기 4각형 노심의 원자로와 동일하다.

앞서 설명한 바와 같이 구성된 원자로는 노심을 구성하는 핵연료집합체가 종래와는 달리 스랩형 형태로 되어있고, 이런 핵연료집합체는 원자로의 중심부에 다각형 구조를 이루어면서 각각의 빔튜브와 1:1 대응하여 서로 직각방향으로 배치되어 있으므로, 핵반응시 발생한 중성자가 빔튜브 방향으로 더 많이 방사되는 효과가 있다.

하기의 표 1 및 표 2는 본 발명자가 종래의 원자로와 본 발명에 따른 원자로에 대하여 열중성자 및 열외중성자의 방사성능을 서로 비교평가한 비교표이다.

즉, 표 1 및 표 2에서는 BMRR(Brookhaven Medical Research Reactor-미국), MITR(Massachusetts Institute of Technology's Research Reactor-미국), Petten(Petten High Flux Reactor-네덜란드), Musashi(Musashi Institute of Technology's Reactor-일본) 등의 종래의 원자로와 다음과 같은 사양을 갖는 본 발명의 원자로를 비교평가 하였다.

즉, 표 1 및 표 2의 평가대상인 본 발명의 원자로는 그 길이가 335cm의 정사각형으로 형성되어 있고, 그 중심부에 위치하는 원자로 노심이 100cm의 정사각형으로 형성되어 있으며, 6cm 두께의 슬랩형 핵연료집합체로 구성되어 있다. 그리고, 핵연료집합체를 구성하는 핵연료봉은 U₃Si-Al, 제어봉은 B₃C로 구성되어 있다.

그리고, 하기의 표 1 및 표 2에 있어서, 각각의 항목에 제시된 수치는 몬테칼로 샘플링을 이용한 확률론적 계산법에 의한 결과로서, 종래의 원자로와 대략적인 비교를 하기 위하여 제시한 수치이므로, 표 1 및 표 2의 수치는 원자로 노심과 빔튜브의 크기 변경으로 너 나은 결과를 제시할 수 있다.

상기 표 1 및 표 2에 있어서, φ_epi(the)는 열외중성자(열중성자)의 플럭스를 나타내고, D_n/n_epi(the)는 열외중성자(열중성자)의 방출량에 대한 고속중성자의 방출량을 나타낸다. 그리고, D_γ/n_epi(the)는 열외중성자(열중성자)의 방출량에 대한 γ선의 방출량을 나타내고, J/φ는 핵분열입자의 방향성 내지 그의 집속도를 나타내며, Power는 원자로 노심의 발열량 내지 그의 소요동력을 나타낸다. 여기에서, 중성자의 플럭스 및 방출량은 빔튜브의 끝, 즉, 환부에 직접 조사되는 중성자빔에 대해서 계산한 것이다.

즉, 표 1 및 표 2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 중성자 플럭스는 종래의 원자로보다 더 많이 발생하였고(φ_epi/Power 참조), 고속중성자 및 감마선의 발생량은 훨씬 적음을 알 수 있으며, 또한 중성자의 집속도는 종래의 원자로에 비해 더 우수함을 알 수 있다. 더욱이 본 발명에 의한 원자로는 종래의 원자로에 비해 1/10정도의 동력으로도 충분히 가동됨을 알 수 있다(Power 참조).

그리고, 표 3에는 표 1 및 표 2의 평가대상인 본 발명의 원자로의 임계 가능성을 핵연료봉의 개수와 제어봉의 유무 및 철제셔트의 개폐에 따라 MCNP 전사코드를 사용하여 검증한 결과가 기재되어 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 원자로는 최대 출력이 300kW 정도로서 강제순환에 의한 냉각시스템을 필요로 하지 않고, 자연대류에 의해서도 충분히 냉각성능을 발휠할 수 있으므로 원자로 설계를 단순화 할 수 있으며, 이로 인하여 병원 등에 간편하게 설치할 수 있다.

또한, 본 발명의 원자로는 저출력으로도 충분한 양의 중성자를 동시에 여러 빔튜브를 통해서 공급할 수 있으며, 설치공간이나 원자로의 용도에 따라 노심형태를 다양하게 구성함으로써 빔튜브의 수를 자유롭게 결정할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 바람직한 실시형태를 예시적으로 설명한 것이며, 본 발명을 한정하는 것이 아님을 밝혀둔다. 그리고, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자이면, 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 넘지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (5)

1. 환자의 종양부위에 조사하여 그 종양세포만을 선별적이고 국부적으로 그리고 안전하게 제거할 수 있는 중성자를 누출하는 원자로에 있어서, 핵분열을 일으키면서 중성자 등의 핵분열입자를 만들어내는 핵연료집합체(11)와, 상기 핵연료집합체(11)의 안쪽에 위치하여 핵분열입자에 대한 반사체의 역할을 하는 중수탱크(12)와, 상기 중수탱크(12)의 중앙부위에 위치하여 핵반응시 발생하는 열을 냉각하는 경수통로(3)로 구성된 원자로 노심과; 상기 원자로 노심에서 생성된 고속중성자를 열외중성자나 열중성자로 감속시켜 환자의 종양부위에 조사하는 원자로 빔튜브를 포함하며; 상기 핵연료집합체(11)는 슬랩형 형태로서 상기 경수통로(13)를 중심으로 다각형 구조로 상기 빔튜브에 대응하여 배치되어 있어, 환자의 종양부위에 조사되는 중성자의 집속도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 원자로.
2. 제1항에 있어서, 상기 핵연료집합체(11)는 상기 빔튜브에 대하여 1:1로 대응하고, 이들은 서로 직각방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 원자로.
3. 제2항에 있어서, 상기 핵연료집합체(11)는 3각형 내지 12각형 중 어느 하나의 형태로 배치된 것을 특징으로 하는 원자로.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 빔튜브는 열중성자빔튜브(20a)와 열외중성자빔튜브(20b)로 구성되고, 상기 열중성자빔튜브(20a)는 원자로의 중앙 안쪽에서 바깥쪽으로 흑연층(21)과, 비스무쓰층(22) 및, 개구부분(24)이 형성된 리튬-폴리에틸렌층(23)으로 구성되며, 이들의 좌우 격벽은 니켈 격판(28)으로 둘러싸여 있으며, 상기 열외중성자빔튜브(20b)는 원자로의 중앙 안쪽에서 바깥쪽으로 알루미늄층(25) 및 알루미늄 플로라이드층(26)과, 카드뮴 박판(27)과. 비스무쓰층(22) 및, 개구부분(24)이 형성된 리튬-폴리에틸렌층(23)으로 구성되며, 이들의 좌우 격벽은 니켈 격판(28)으로 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 원자로.
5. 제4항에 있어서, 상기 열중성자빔튜브(20a)와 열외중성자빔튜브(20b)는 각각 그들을 통하여 방사되는 중성자의 개폐를 철제셔터(16)로 조절하는 것을 특징으로 하는 원자로.