医用同位素生产现状及技术展望

高　峰，林　力，刘宇昊，马兴均

(中国核动力研究设计院，四川 成都　610041)



医用同位素生产现状及技术展望

高峰，林力，刘宇昊，马兴均

(中国核动力研究设计院，四川 成都610041)

摘要：本文概述同位素生产技术，介绍医用同位素生产现状，分析供求关系和面临的问题，提出医用同位素的发展趋势和技术展望。随着核医学迅速发展，医用同位素在疾病诊断和临床治疗中发挥越来越重要的作用。我国人口基数庞大，国内医用同位素主要依赖进口。建立产能高、安全性好的医用同位素生产堆有望突破核医学的发展瓶颈。传统反应堆同位素生产技术仍有优化空间，新型反应堆同位素生产技术亟待研究和推广，不依赖反应堆的同位素生产技术仍具有一定的市场前景。

关键词：医用同位素；反应堆；加速器；核素发生器

随着现代医学和核医学仪器的发展，医用同位素在疾病诊断和临床治疗中发挥着越来越重要的作用。在发达国家，约五分之一的患者需要用到医用同位素[1]。99mTc、89Sr和131I是最重要的三种医用同位素。其中，99mTc半衰期短且只发射低能γ射线，使用安全，广泛用于脏器显像和临床药物中；89Sr是具有亲骨性的放射性药物，可用于缓解骨转移癌引起的骨痛，并具有良好的长效镇痛作用[2]；131I是最早用于治疗疾病的放射性同位素之一，可治疗甲状腺增生等疾病。

目前，全球有较全面的同位素生产体系，但很多设施严重老化，未来医用同位素的供应缺口较大，建立稳定、安全的供应体系具有重要的意义。本文旨在概述同位素生产技术，介绍医用同位素生产现状，分析供求关系和面临的问题，提出医用同位素的发展趋势和技术展望。

1放射性同位素生产技术

1.1反应堆生产放射性同位素

1.1.1传统反应堆同位素生产技术

通过反应堆生产放射性同位素的传统方法包括裂变法和中子活化法。以99Mo为例，裂变法235U(n,f)99Mo的生产工艺为：235U制靶→堆内辐照→靶件切割→溶解→化学提纯→99Mo产品；中子活化法98Mo(n,γ)99Mo的生产工艺为：98Mo制靶→堆内辐照→靶件切割→溶解→化学提纯→99Mo产品。

在235U裂变中，99Mo产额为6.06%，131I产额为3.1%，可大规模生产99Mo、131I等放射性核素，同时可提取国防工业用的95Zr、144Ce等裂变元素。中子活化法则具有品种多、放射性废物量小、生产成本低廉等优点。

1.1.2新型反应堆同位素生产技术

1944年，Richard Feynman首次提出溶液堆堆型[3]。同年，世界上第一座均匀性溶液堆在美国落成。此后，全球共建立了70多座研究型水溶液堆。

溶液堆生产裂变元素具有周期短、产量大、操作简便、铀利用率高、废物产生量小等优势，美国Babcok&Wicox公司在1992年提出医用同位素生产堆(MIPR)概念。这种新的放射性核素生产堆得到行业内的广泛关注和重视。许多国家都对同时生产99Mo、89Sr、131I的均匀性溶液堆加紧了研究工作[4-6]。但至今公开报道的医用同位素生产堆只有俄罗斯的ARGUS堆。

1.2加速器生产放射性同位素

通过反应堆生产的放射性核素不能完全满足医学应用的需求，加速器作为一种生产手段，在很大程度上弥补了放射性同位素种类的不足。利用加速器产生的高速带电粒子轰击含有特定稳定核素的靶件，能得到很多种类的放射性同位素。目前，可用加速器生产的放射性核素种类占已知放射性核素种数的60%以上。

在IAEA的成员国中，回旋加速器已超过350台，大部分用于正电子发射显像核素的生产，尤其是制备18FDG的18F。微型回旋加速器体积小、操作方便、建造费用低，适合在医院就地制备11C、13N、15O、18F等短寿命核素。大型加速器则用于制备较长寿命或一般情况下难以制备的核素，如82Sr、52Fe等。静电加速器和直线加速器在放射性同位素制备中应用相对较少。

1.3放射性核素发生器生产放射性同位素

放射性核素发生器能定期从长寿命母体核素中分离出短寿命子体核素，为短寿命子体核素的应用，特别是为那些远离反应堆和不具备加速器的地方提供了有利条件。最常见的放射性核素发生器有99Mo-99mTc、188W-188Re、68Ge-68Ga、113Sn-113mIn和90Sr-90Y发生器。放射性核素发生器使用的母体核素是通过反应堆或加速器生产的，能够多次、安全方便地提供无载体、高核纯和高比活度的短半衰期核素，在医学、工业和科研等领域中得到了广泛应用。

2生产现状

2.1国外生产现状

目前，全球生产放射性同位素的反应堆主要有美国的HFIR、MURR，加拿大的NRU，荷兰的HFR，法国的SILOE、OSIRIS，比利时的BR-2，澳大利亚的HIFAR和南非的SAFARI-1，另外俄罗斯和东欧也有一些用于生产放射性同位素的反应堆[7]。这些反应堆多建于上世纪五六十年代，老化严重，预计在2016～2030年间陆续关闭。近15年来，影响放射性同位素生产的事件频发(表1)，仅影响99Mo供应的事件就发生了十余起[8]。2007年因NRU堆安全升级停堆导致数千例医疗诊断和治疗程序被取消。2008年比利时、加拿大、南非、荷兰和法国的几座重要同位素生产堆在数周内先后停堆，全球再次出现医用同位素供应紧张的局面。为此，经济合作与发展组织核能机构(OECD/NEA)于2009年在巴黎召开会议，讨论如何确保99Mo-99mTc的供应问题。2011年OECD/NEA公布了一份题为《医用同位素供应：99mTc的全球长期需求评估》报告，据此估计全球医用同位素在2016年面临供不应求的局面。此外，大多数现有的辐照装置从2015年开始实施靶件转换，即用低浓铀靶件替换现有的高浓铀靶件，这将导致同位素供应能力降低。

表1　近15年来部分影响放射性同位素生产的事件

2.2国内生产现状

1958年，由前苏联援建的重水反应堆和回旋加速器在中国原子能科学研究院(简称原子能院)投运，成功研制了33种反应堆照射的放射性同位素，开创了我国同位素技术的应用事业。1996年，原子能院与比利时合作建成一台先进回旋加速器及其放射性同位素药物研制生产装置。1967年，原子能院建成游泳池式轻水堆，系统地开展了放射性药物的研究工作。80年代起，中国核动力研究设计院利用拥有的高通量堆和轻水堆生产131I、125I、32P、89Sr等放射性同位素和凝胶型99Mo-99mTc、113Sn-113mIn、99Tc-MDP、放免药盒等产品。同期，中国工程物理研究院也利用轻水堆开展放射性同位素及药物研究。90年代初，上海科兴药业公司从比利时引进一台回旋加速器，主要用于SPECT、PET等显像药物、188W-188Re发生器和89SrCl2注射液等的研制。

至今，我国已基本形成包括反应堆、加速器生产的医用放射性同位素及其药物生产体系，具有较好的技术基础。但2008年后，国内反应堆同位素生产活动几乎全部停止[9]，原本有限的生产规模更无法满足持续增长的市场需求，医用同位素又回到了依赖进口的局面。

3发展趋势

近年来，医用同位素用量的年增幅维持在10%左右[5,10]，预计未来供应缺口很大。鉴于其重要用途和供求关系，医用同位素的研究和生产是核技术应用领域的热点之一。总体而言，医用同位素生产向着提高安全性和经济性的方向发展。

3.1提高安全性

涉核活动的安全问题一直倍受各国政府和公众的关注，相关标准和要求也越来越严苛。今后，同位素生产环节必将更加重视公众受照和环境污染的风险。为减少核扩散风险，日本原子能机构的JMTR堆将采用一种无需使用武器级高浓铀的99Mo和99mTc生产途径，这种“等离子体烧结”工艺生产的99Mo预计能满足国内25%的需求。荷兰则致力于在较低中子流量的研究堆中使98Mo转变为99Mo。

2008年，加拿大政府终止两座MAPLE反应堆的建造计划，并启动一项不基于反应堆的同位素供应计划，该计划支持“回旋加速器商业化生产99mTc”的项目。同时，MDS Nordion公司与加拿大国家粒子与核物理实验室联合研发利用直线加速器通过光致裂变生产99Mo的技术。

3.2提高经济性

医用同位素的生产和使用不涉及军事、国防等政治因素，全球集中供应的模式仍将沿用。在若干年内，大部分国家都将以进口为主。掌握生产规模大、综合成本低的同位素生产技术，有助于提高在供应市场中的竞争力。

代尔夫特理工大学开发了一种以98Mo制备医用同位素的新方法，该技术采用中子轰击Mo原子，无需高通量反应堆，也不依赖研究堆及其相关的燃料、设备和安全装置。而加拿大、中国、美国、俄罗斯和智利拥有丰富的Mo矿，这使得该技术的应用面和经济性均有一定提高。

4展望

随着现代医学的发展，放射性同位素的需求与日俱增。为保障医用同位素的稳定供应，降低生产成本，提高产品质量，增强同位素生产过程中的安全性，有必要完善现有生产技术和研发新的生产工艺。在现有技术基础上，医用同位素的生产技术有望在以下几个方面取得突破。

4.1传统反应堆生产同位素

虽然传统的反应堆同位素生产工艺复杂、成本高[11]，但在MIPR成熟和推广之前，医用同位素仍主要依赖裂变和中子活化的方法生产。优化现有的工艺过程，对降低成本、提高效率具有积极意义。

医用同位素活度衰减很快，因此效率高、耗时短的核素提取技术极具研发价值。另外，辐照时间和靶件制造也有待优化。随着经验的积累和材料科学的发展，有望取得实质性的进展。

4.2新型反应堆生产同位素

与传统反应堆同位素生产技术相比，新型反应堆(MIPR)具有如下优势：1) 负温度系数大，反应堆具有反应自调节性，固有安全性好；2) 建堆成本较低，总成本一般不到靶件辐照堆的一半；3) 同位素生产能力大：据理论计算，200 kW的水溶液堆正常运行，全年可生产3.33×1015Bq的99Mo、7.4×1014Bq的131I、1.48×1015Bq的89Sr；4)235U的装量少，利用率高；5) 同位素生产和提取操作简单，放射性废物产量少。

由此可见，MIPR是一种生产医用同位素的理想堆型。溶液堆的建设、运行积累了大量经验，技术成熟度较高，美国已通过理论计算验证了建造高功率MIPR的可行性[12-13]。开展相关研究攻克关键技术和工程难题后，有望建成高功率的MIPR示范工程。与其他技术相比，MIPR优势明显，具有较好的发展前景，将会成为我国医用同位素的主要来源。

4.3不依赖反应堆的同位素生产

裂变、中子活化等方法在未来一段时间内仍将是生产医用同位素的主要方法。对于人口少、需求量小的国家或交通不便的地区，尤其是技术和经济能力不足以承担反应堆运行的国家，建立回旋加速器或直线加速器用于医用同位素的生产，是摆脱同位素产品全部依赖进口局面的最佳选择。

不依赖反应堆的同位素生产技术可以在非计划停堆造成同位素供给不足时，作为同位素的后备生产线。由于大部分医用同位素的半衰期较短，无法建立充裕的库存，不依赖反应堆的生产技术对确保医用同位素的安全、稳定供应具有重要意义。

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Production Situation and Technology Prospect of Medical Isotopes

GAO Feng, LIN Li, LIU Yu-hao, MA Xing-jun

(NuclearPowerInstituteofChina,Chengdu610041,China)

Abstract:The isotope production technology was overviewed, including traditional and newest technology. The current situation of medical isotope production was introduced. The problems faced by isotope supply and demand were analyzed. The future development trend of medical isotopes and technology prospect were put forward. As the most populous country, nuclear medicine develops rapidly, however, domestic isotope mainly relies on imports. The highly productive and relatively safe MIPR is expected to be an effective way to breakthrough the bottleneck of the development of nuclear medicine. Traditional isotope production technologies with reactor can be improved. It's urgent to research and promote new isotope production technologies with reactor. Those technologies which do not depend on reactor will have a bright market prospects.

Key words：medical isotopes; reactor; accelerator; nuclide generator

收稿日期：2016-01-11;修回日期：2016-03-13

作者简介：高峰(1986—)，男，湖北孝感人，助理研究员，主要从事放射化学方向研究

中图分类号：R817.8

文献标志码：A

文章编号：1000-7512(2016)02-0116-05

doi：10.7538/tws.2016.29.02.0116