我国放射性同位素生产应用现状和发展中要急需解决的主要问题

我国放射性同位素生产应用现状和发展中要急需解决的主要问题李茂良（成都云克药业有限责任公司，成都610041）非动力核技术应用（包括同位素和辐射技术的应用）是核技术应用的重要方面，已广泛应用于工业、医疗卫生、农业、环境保护、科研、勘探和公共安全各个领域，对国民经济和社会发展发挥着越来越大的作用。非动力核技术应用的发展除加速器（作为辐射源）的研制和应用外，最重要的是放射性同位素的研制、生产和应用。本文简要介绍我国放射性同位素生产应用现状和发展中要解决的主要问题，以引起上级领导和各位专家的重视，促进我国非动力核技术的推广应用。1、国际同位素生产现状放射性同位素的来源主要包括三个方面：核反应堆生产，加速器生产，从核燃料后处理废液中分离提取，全世界主要同位素生产设施见表1。另外，一些短寿命放射性同位素，特别是常用短寿命医用放射性同位素（如99mTc、113mIn、90Y、188Re、68Ga等），可利用反应堆产或加速器产母体同位素制备的同位素发生器获得。大部分放射性同位素利用多用途研究堆生产，其中5MW以下的低功率研究堆生产放射性同位素品种和数量十分有限，只能满足部分国家国内需求，5MW以上功率的多用途研究堆只有50座左右，而已用于或可用于大规模生产放射性同位素的多用途研究堆仅有30来座。可用于生产高比活度发射性同位素（如60Co、192Ir、153Gd、89Sr、188W、63Ni、117mSn等）的高通量堆只有美国橡树岭国立实验室的HFIR和爱达荷国立工程实验室的ATR，俄罗斯的SM-3和MIR/M1及比利时的BR-2，国内有中国核动力研究设计院的高通量工程实验堆（49-3堆）和中国原子能院的中国先进研究堆（CARR）。快中子堆主要用于89Sr生产。另外美国和俄罗斯是世界上仅有用高通量堆可生产提供超铀元素252Cfα强放射源的两个国家。表1全世界主要同位素生产设施一览表设施类型装置数量研究堆其中：常规反应堆高通量堆快中子堆948672从事放射性药物制备回旋加速器从事PET工作非专门从事同位素生产50＞300013分离设施21当前反应堆生产主要同位素有三十多种（99Mo、99mTc、131I、125I、198Au、51Cr、113Sn、117mSn、32P、35S、186Re、188Re、89Sr、165Dy、166Ho、153Sm、14C、3H、85Kr、133Xe、90Sr、90Y、137Cs、60Co、192Ir、170Tm、177Lu、153Gd、152Eu、125Sb、63Ni、169Y、47Sc、75Se、55Fe、59Fe、191Os），其中医学上用的最多的是99Mo和131I，99Mo加上99Mo/99mTc发生器的年销售量大于3亿美元，占核医学诊断用药的80~90%。99Mo主要由加拿大生产提供，占全世界99Mo供货量的约80%。131I主要用于治疗，占核医学治疗药物的约90%，年销售额达3亿美元以上。随着131I标记单克隆抗体治癌药物陆续投放市场，131I的使用量将可能成倍增加。另外一个有应用前景的堆产同位素是治疗癌骨转移的89Sr，用量会迅速增加，表2列出了99Mo、131I和89Sr国际市场情况。世界上用于99Mo等医用同位素生产的多用途研究堆见表3表299Mo、131I和89Sr国际市场使用量增长情况产品年份99Mo131I89Sr2000350kCi40kCi100kCi2005540kCi60kCi200kCi2010700kCi80kCi500kCi表3世界上用于生产99Mo的主要多用途研究堆情况国名反应堆名功率（MW）建堆时间堆临界时间生产99Mo情况备注加拿大NRUMNR135552.1.157.9.157.11.359.4.4~28万居里/年供美国、日本、南美洲等国美国ATRHAFBRHFIRMURR25060851061.12.161.12.161.7.163.1.167.7.265.10.3165.8.166.10.13本国不生产99Mo，计划用建4座200kW的溶液堆生产99Mo全部从加拿大进口阿根延RA-33063.2.168.8.1小规模生产本国用比利时BR-210058.1.161.6.29每年运行15周1200-2000Ci/周最高可达3000Ci/周4个堆协作，保证99Mo连续全年供货法国OSIRISHFR705864.1.167.1.166.9.871.7.1荷兰HFR4557.8.161.11.9匈牙利BRR1055.8.156.1.1小规模生产本国用瑞典R-25057.1.160.5.4小规模生产本国用波兰MARIA3069.1.174.12.18小规模生产本国用俄罗斯SM-3MIR/M1IR-8100100856.1.158.1.180.1.161.1.1062.12.181.8.1小规模生产部分出口南非SAFARI-12061.1.165.3.181000Ci/周，最高可生产3000Ci/周出口澳大利亚HIFAROPAL102056.6.158.1.262006.8200-300Ci/周本国用印度DHRUYA10075.10.1085.8.8小规模生产本国用印度尼西亚GASMPR3083.1.187.7.29100-200Ci/周本国用日本JRR-3MJRR-4JMTM203.55085.8.262.6.165.3.2290.3.2265.1.2868.3.30均未生产99Mo99Mo全部进口韩国HANARO3087.6.195.2.8目前还未生产99Mo全部进口中国HFETRMJTRCMRRCARR1255206071.1.1586.10.2979.12.2791.2.3已建成已建成可以用于生产99Mo，但现在已停产计划生产99Mo计划生产99Mo每年进口5000Ci以上，国内99Mo难于稳定生产供货满足市场需要工业用同位素主要有60Co辐照源，年需求量大（年需求＞3000万Ci）,主要由加拿大利用CANDU堆生产提供。192Ir无损探伤源在工业上应用非常广泛，主要利用高通量反应堆生产提供。多用途研究堆大多数是上世纪五、六十年代建造的，不少堆面临退役，虽然印尼、南韩、澳大利亚已建成投产三个堆（GASMPR，30MW，HANRARO，30MW，OPAL，20MW），但同位素产量有限，只能满足国内的需要，致使全世界同位素的生产供应出现了紧缺甚至断供的情况，并致使同位素国际价格暴涨。因此改造现有的反应堆设施延寿运行是当务之急，如国际99Mo主要提供者加拿大的NRU堆早已到达退役年限理应停止运行，但停止99Mo生产供货严重影响全世界核医学的用药，致使全世界许多患者健康受损，加拿大政府行政干预暂时恢复99Mo的生产供货缓解供求矛盾。但旧堆改造后的寿命不能确定，寿期有限，最终解决不了根本问题。新建核反应堆进行同位素生产是必须要考虑的问题，如法国正在建设一座高通量工程实验堆（JHR）（主要用于反应堆材料辐照考验）。而建设新堆投资大，周期长，还面临技术风险，如加拿大Nordion公司的NRU反应堆即将退役，因此Nordion公司为了世界上同位素供应，拟投资建造两座10MW的新堆（“MAPLE-1和MAPLE-11”）以及同位素生产相关设施，原预计2002年投产，但因技术上出了些问题，迟迟不能投产，最终停止了这个项目。因此在一定时期内同位素生产供应，特别是短寿命医用同位素（如99Mo、131I等）的供应利用加速器主要生产缺中子放射性同位素，在核医学方面用的较多的是201Tl和67Ga，201Tl主要用于心肌显像，占核医学临床使用的10~15%，年销售产值达3.5亿美元，67Ga主要用于肿瘤诊断，占核医学临床使用的百分数不到5%，年销售产值达0.5亿美元，另外还有123I、111In、82Sr、103Pd等在核医学上有一定用途，其中103Pd作为籽源用于治疗前列腺癌等有一定的发展前景，但与反应堆产125I籽源相比缺乏竞争性。另外，57Co、109PET专用小加速器主要用于18F、15O、13N和11C等短寿命正电子发射同位素的生产，近年来得到了快速发展，全世界PET的数量已超过了6000台，配套专用小加速器同位素分离设施主要包括从乏燃料中提取90Sr、137Cs、147Pm等裂变产物和241Am、239Pu等超铀元素，另外美国和俄罗斯拥有大型电磁分离器，可分离提供多种稳定同位素作同位素生产的浓缩靶材料。2、我国同位素生产应用现状和存在的的主要问题及其原因上世纪六十年代至七十年代我国的131I、32P等医用同位素可由中国原子能院的101堆生产提供，但大活度的99mTc发生器、113mIn发生器、高比活度的60Co治疗源、192Ir无损探伤源、大量的工业辐照源等完全从国外进口。上世纪八十年代初中国核动力研究设计院的高通量工程实验堆建成并投入高功率运行至本世纪初，我国同位素生产和应用得到了大发展，先后中国核动力研究设计院研制成功了大活度的凝胶型99mTc发生器，中国原子能院研制成功了裂变型99mTc发生器，各占大约一半市场，基本上停止了从国外进口，同时131I等常用医用同位素生产基本能满足国内核医学发展需求。另外高比活度60Co、192Ir等同位素的生产，基本上能满足国内医疗源和工业无损探伤源的需求，大大减少了进口，同时60Co工业辐照源生产也形成了一定规模，支持了我国辐照加工业的发展。但是从本世纪初以后，我国同位素生产和应用悄然发生了变化，这期间一些同位素生产单位进行了改制，先后成立了股份制公司或有限责任公司，生产和经营有一定发展，产值也有了提高，但国产同位素的品种和产量却越来越少了，到2008年后国内同位素生产几乎全停止了，所有同位素产品全靠进口，或进口分装出售。同位素售价成倍攀升：131I从1万多元/居里涨到3万多元/居里，1局里的Mo-99/Tc-99m发生器从5000元左右上涨到1万元以上，工业用同位素60Co、192Ir医疗源，60Co工业辐照源、192Ir无损探伤源的价格也有大幅提高，并且经常是供不应求，特别是短寿命的医用同位素，更是时有断货，影响患者疾病诊断治疗，影响了我国核医学的正常用药和健康发展。我国工业60Co工业辐照源的生产供应将来可能获得缓解，因为我国秦山三期核电站安排了工业60Co工业辐照源的生产，年产量计划为500万Ci，这是我国同位素生产应用可以得到安慰的一点。我国加速器生产同位素处于次要的地位，因为生产品种少，产量低，成本高，应用推广难，始终没能开展起来，没有形成规模化生产，未能形成产业。但小型加速器生产18F，因为近年来核医学用正电子发射断层显像（PET）诊断技术得到了大量应用（特别是在肿瘤显像诊断方面得到了大量应用）而得到了快速发展，我国的PET装置已接近170台，但PET显像仪和附带的小型加速器几乎全部从国外进口。14C-尿素用于诊断幽门螺杆菌，它的安全性经过专家们的争论和科学评价得到了国家认可，近年来得到了大发展，已广泛用于体检，这是我国同位素应用的一个大的突破。但14C原料还主要靠进口来解决。我国在从核反应堆核燃料后处理废液中分离提取主要裂变产物（90Sr、137Cs、147Pm等）方面有一定的的技术储备，但因应用前景不明，投资不落实，这方面的工作也没有很好开展起来，90Sr、137Cs等裂变同位素全部需要进口。99mTc发生器方面，凝胶型99mTc发生器已停止了生产供货，裂变型99mTc发生器全部从国外进口99Mo母液制备，113mI发生器也停止了生产供货，其它医用同位素发生器几乎无人研制。国产同位素的停产影响最大的是我国核医学的发展，近年来国内放射性药物的研制几乎处于停滞状态，虽然国内的一些大学或研究单位为了培养研究生开展了一些放射性药物的基础研究，但都没有正式申报新药。原因是申报放射性新药太难（国家药品食品监督管理局不考虑放射性药品的特殊性，把放射性药品与普通化学药品一样对待），研制周期太长（一般十年以上），投入太大（几千万元以上），市场太小，很难获得好的经济效益。由于没人申报放射性新药，全国唯一一家负责放射性新药研制复核的中国药品检定所的放射性药物检定室因任务少而被合并，这样的结果会造成恶性循环，越不创新，越依赖国外，我国患者的负担将会越重。造成国内同位素生产停产的主要原因有以下几点：（1）旧核反应堆老化、新建核反应堆同位素生产设施不配套、形成不了生产能力我国可用于同位素生产的研究堆有中国核动力研究设计院的49-3高通量工程实验堆（HFETR）和岷江实验堆（MJTR）、中国原子能院新建的的中国先进研究堆（CARR）和中国工程物理研究院新建的中国绵阳研究堆（CMRR）。但49-3高通量工程实验堆已老化，不符合安全运行要求，需停堆整治，整治后可延长到49-3-2建成投入运行，但很难满足中短寿命同位素的生产供货。岷江实验堆（MJTR）是利用49-3高通量工程实验堆的卸料原件作核燃料，49-3高通量工程实验堆燃料实现低浓化后卸料原件是否适用于岷江实验堆（MJTR）还需论证审批，并且岷江实验堆功率低，中子通量低，用于生产同位素的品种和产量都很有限。CARR堆的同位素生产配套设施的建设资金还未落实，CMRR堆的同位素生产配套还未建成投产。（2）体制改革中出现的新问题未及时解决好同位素生产相关单位实行改制是同位素生产行业发展的必经之路，但改制过程中有些问题没有处理好：同位素生产设施是国有资产，主要为国防科研服务，不能划归同位素生产的已改制的公司，开堆计划不能服从同位素销售需求安排，加之单位之间的利益分配发生矛盾，原研究所的利益受到了影响，职工积极性不高，致使工作不能很好协调，影响同位素生产的正常安排，不能保证同位素的按计划生产发货。因此，尽管进口同位素价格高，也不得不从国外进口。（3）单位之间科研任务不同、难于协调开堆时间、不能保证中短寿命同位素的按需供货尽管我国已有三座功率超过20MW、一座功率为5MW的四座核反应研究堆，原则上可用于同位素生产，但分属于三个国营科研单位，各自承担的国家科研任务不同，同位素生产都是辅助任务，不是硬性任务，加之，三个单位不可能互相协调科研和同位素生产任务，因此很难做到共同合作生产同位素，以满足全国同位素的按需求生产发货，另外单位之间还有利益冲突，甚至发生恶性竞争，破坏正常的市场秩序。（4）国家缺乏统筹管理和强有力的支持我国的同位素生产和应用国家没有一个强有力的政府部门来统一规划管理，完全处于无政府状态，同位素的科研没有政府的大量资金投入支持，同位素的推广应用受国家环保部门的过严管控，同位素产品的运输和应用受到严重限制，如北京开奥运会或有其他重要活动，同位素产品（包括急需的短寿命医用同位素药品）都不能运输进京，很多活度极低辐射危害极低的同位素仪器仪表用源（如生产香烟的烟机测控用源等）因环保部门经常来检查，干脆不用测试调控性能非常好的同位素源，改用测试调控性能差的X-光源，使得同位素仪器仪表用源逐渐被代替不用了。因此我国同位素的应用除辐射加工有一定发展外，同位素应用有委缩的倾向。3、促进我国放射性同位素生产应用急需要解决的几个问题和几点建议3.1采取措施解决国内主要同位素产品的自给问题，为我国同位素技术的推广应用打好基础3.1.1核医学是同位素应用最活跃最重要的一个方面，核医学最常用的放射性同位素（如诊断用99mTc发生器的母体核素99Mo，治疗用131I和89Sr）应作为重点首先解决，其最现实的解决方案是建造专用同位素生产堆（MIPR）目前国际上生产99Mo、131I和89Sr都是利用研究堆通过辐照靶件来生产的，此种方法建堆成本高（如建设一个10MW的研究堆，一般需1亿美元以上），而反应堆燃料元件中产生的中短寿命裂变产物同位素不能被提取利用，235U靶件中的235U也只有极少部分被利用，并产生大量裂变产物放射性废物，对环境影响大。燃料元件和同位素靶件的制备辐照、同位素靶件的切割、化学处理等都增加成本，使同位素生产成本高、售价高。美国是世界上使用裂变产物99Mo（用于制备99mTc发生器在核医学上作显像用）最多的国家（目前美国年使用99Mo达30万居里，全世界年使用99Mo达60万居里以上），全靠从加拿大进口。美国为了实现99Mo的供应国产化，首先提出了利用均匀性水溶液堆（以UO2（NO溶液为核燃料），大规模生产医用同位素99Mo的医用同位素生产系统（MIPS）的概念设计，并开展了大量建堆和提取99Mo的研究开发工作，现在已决定建造四座200kW的医用同位素生产系统，计划2015年前建成投产，以满足美国对99Mo的急需。俄罗斯利用已建成的功率为20kW、以UO2SO4溶液为核燃料的均匀性水溶液堆（AUGAS），正研究生产99Mo等中短寿命放射性同位素的方法。中国核动力研究设计院经过十多年的技术攻关，解决了关键技术问题，现正在筹建能同时生产99Mo、131I和89Sr的医用同位素生产堆（MIPR）,其主要特点和优点简介如下：（1）以UO2（NO3）2为燃料溶液，没有燃料元件，无需燃料元件加工、运输和辐照后的后处理。无需同位素生产靶件制备、辐照、切割、溶靶等，用UO2（NO3）2溶液可大量生产99Mo和131I，并且每天提取同位素减少了生成的99Mo、131I等的衰变损失。（2）燃料溶液中的碘可以不断提取，放射性气体氙直接进入反应堆容器上部气腔，使反应堆避免了氙毒和碘坑，剩余反应性可以很低，并且当235U燃耗掉部分时，可以定期补充加料，同时燃料溶液中的裂变产物可以通过纯化系统定期去除，使燃料溶液可以长期使用。（3）该堆负温度系数大，自调节能力强，固有安全性好，并以低功率（200kW）、低温（＜80℃）、常压运行，对反应堆容器和回路的要求比高温高压运行的反应堆的要求低、安全性好，使堆可以长期运行。用该方法生产99Mo与靶件法相比，减少了裂变放射性废物约100倍，且长寿命废物存于堆内溶液中，大大减少了三废处理量，并且有利于反应堆的退役。（4）利用该法生产99Mo的成本特别低，按生产相同量的同位素计算，建堆成本为常规堆的三分之一，运行功率为常规堆的7.1%，235U消耗量为常规堆的0.36%，运行费用为常规堆的1.3%。利用该堆还可以同时生产99Mo、131I和89Sr，建设一个稳态功率为200kW的医用同位素生产堆（MIPR）所需经费约3亿元人民币，一年运行250天，可生产99Mo10万Ci，131I2万Ci，89Sr400Ci，除满足国内核医学发展用外，还可满足亚洲国家核医学发展的需要，年销售收入可超过6亿元人民币，经济效益可观。另外利用医用同位素生产堆还可同时生产133I、133Xe等其它医用同位素，而且还可以不定期地提取其它有应用前景的放射性同位素（如90Sr、106Ru、137Cs等），变废为宝，增加经济效益。另外，国际上为了防止核扩散，提高核安全性，提出了利用加速器大规模生产99Mo的方案，如比利时的Y.JONGEN提出了利用加速器代替核反应堆大规模生产99Mo的方案，此方案提出设计加速器驱动最佳化核辐照系统（AcceletatorDrivenOptimizedNuclearIrradiationSystem-简写为ADONIS）来生产裂变99Mo，此系统包括质子加速器、束流传送系统和中子源三部分，而中子源包括一级束流靶（由质子束轰击熔熔Pb-Bi产生散变中子）、水慢化剂和二级高富集度235U靶。由于二级靶是次临界装置，具有非临界性质。这种次临界铀靶与外部驱动中子源的结合和系统的设计使得ADONIS本身具有固有安全性。此系统提供能量为150MeV的300kW的质子束，打在Pb-Bi靶中产生散变中子（能量为150MeV时一个质子产生0.8个中子），用水慢化剂围绕一次靶子以慢化一级散变中子和二级裂变中子。利用此系统和235U靶件的某种排列使235U裂变产生99Mo，每周可生产比活度为100Ci/gMo的99Mo35000Ci，或生产更高比活度为180Ci/gMo的99Mo22500Ci。99Mo的提取纯化工艺与堆照裂变生产99Mo的工艺相同。此系统的优点是安全、可调、运行灵活、方便，生产的99Mo可满足世界上一半以上的需要，而成本远低于一个10MW的研究堆。运行成本及最后的退役费用也非常低。此方法的缺点跟反应堆生产裂变99Mo一样需要235U靶件的制备、辐照、化学处理，产生放射性废物多，此方法值得进一步探讨和开发。另外，TRIUMF在加拿大资源部资助下正开展将加速器的高能电子转化为光子，利用光核反应驱动天然铀或乏燃料中的238U裂变生产99Mo，此方法有许多优点，在原理上是可行的，但进入实际的医用同位素生产在短期内是难于实现的。因此，从目前的研发结果来看，加速器生产应用同位素技术上还不够成熟，技术上最成熟经济上最可行的是专用同位素生产堆的方案，应积极推动早日上工程，解决目前医用同位素的急需。3.1.2充分发挥现有研究堆的作用生产高比活度的中长寿命的医用和工业用同位素满足国内急需我国现有的四座研究堆因开堆计划难于协调不适于生产供货时间要求严的中短寿命的医用同位素生产，但其中三座中子通量较高的49-3堆、CARR堆和CMRR可用来生产少量的高比活度的192Ir、60Co、14C、63Ni等同位素。60Co可用于生产医用远距治疗源、r-刀源、腔内后装治疗源和工业用无损探伤源。192Ir可用于生产医用腔内后装治疗源和工业用无损探伤源。14C可用于生产14C-尿素用于诊断幽门螺杆菌。63Ni可用于生产微型同位素电池。这几种同位素都有好的市场需求，应通过努力，尽量满足国内的需求，至少可减少从国外进口，实现部分自给。另外，随着125I密封籽源用于治疗前列腺癌的大量推广应用，125I的年需求量将上1000Ci，不能长期依赖进口，我国也应考虑生产自给。3.1.3充分发挥CANDU型核电站的作用，大力生产工业用60Co辐照源生产，使年生产规模从目前的500万Ci提高到1000万Ci，以满足国内辐照加工业大发展的需要（我国60Co辐照站的设计装源能力已超过6000万Ci，将来很有可能达到1亿Ci）。3.1.4认真探讨从核燃料后处理废液中提取有用长寿命同位素的可行性国际上的乏燃