Optymalizacja wiązki neutronowej do badań nad terapią leczenia nowotworów i badań materiałowych

Tytuł projektu:

Optymalizacja wiązki neutronowej do badań nad terapią leczenia nowotworów i badań materiałowych.

Cele projektu:

Celem nadrzędnym projektu jest zapewnienie dostępu społeczeństwu, w szczególności przedstawicielom medycyny, przemysłu, ośrodków badawczych oraz uczelni wyższych, do wysokiej jakości wiązki neutronów o unikalnych, w skali światowej parametrach. Powstające stanowisko badawcze umożliwi prowadzenie szerokiego spektrum badań podstawowych w dziedzinach inżynierii biomedycznej, materiałowej oraz nauk fizycznych a także prowadzenie prac wdrożeniowych, które przełożą się na wzrost konkurencyjności polskiej nauki, przemysłu oraz w przyszłości zapewnią poprawę zdrowia publicznego.

Stanowisko badawcze przy kanale poziomym reaktora badawczego MARIA znajduje się na poziomie rdzenia reaktora, w odległości 4 metrów od jego reflektora grafitowego. Specyficzne usytuowanie powala na uzyskanie bardzo intensywnego pola promieniowania jonizującego, porównywalnego do poziomów radiacyjnych panujących w skrajnych częściach rdzenia. Tak znaczące poziomy radiacji udaje się uzyskać dzięki pozornemu skróceniu odległości 4 metrów poprzez montaż kanału pośredniego oraz części stacjonarnej i obrotowej zamykacza wiązki kanału poziomego H2. Kanał pośredni o długości ok. 1m, wypełniony azotem, stanowi pierwszą część osłony radiologicznej. Drugą część osłony stanowi zamykacz wiązki składający się z części stacjonarnej i obrotowej. Zamykacz, mający około 2 m długości, zbudowany jest między innymi z ciężkiego betonu.

Opisana instalacja doprowadza do uzyskania wiązki mieszanej o średnicy 12 cm o gęstości strumienia 10⁸ neutronów termicznych/cm2/ s. Projekt zamykacza umożliwia modyfikację intensywności oraz spektrum energetycznego przez zmianę materiałów w ruchomej części zamykacza. Końcowy etap budowy stanowiska obejmuje montaż materiału tarczowego w czołowej części kanału pośredniego.

Wiązka wyprowadzana jest do przestrzeni roboczej stanowiska napromieniań neutronowych H2, która znajduje się w pomieszczeniu napromieniań. Wielkość przestrzeni roboczej daje możliwość pozycjonowania i napromieniania dużych obiektów wraz z aparaturą towarzyszącą, tj. aparaturą sterującą i zasilającą. Pomieszczenie napromieniań zapewnia stabilne warunki zarówno dla napromieniań próbek biologicznych jak i specjalistycznych próbek materiałowych. Projekt umożliwia również doprowadzenie instalacji do prowadzenia badań w określonej atmosferze i temperaturze. Specjalne warunki wymagane są również do prowadzenia testów kriogenicznych ukierunkowanych na prace związane z fuzją termojądrową. Przestrzeń robocza stanowiska umożliwia napromieniania dużych komponentów i całych urządzeń, również w stanie podłączenia do zasilania. Prowadzenie takich badań pozwala na śledzenie odwracalnych zmian parametrów pracy aparatury w polu promieniowania, a także nieodwracalnych zmian powstałych na skutek uszkodzeń radiacyjnych. Opisane badania są istotne dla rozwoju technologii i materiałów dla reaktorów IV generacji, technik pomiarowych i diagnostyki plazmy układów termofuzyjnych, a także wszystkich urządzeń i podzespołów przeznaczonych do długotrwałej pracy w polu promieniowania jonizującego o wysokiej mocy dawki. Badane podzespoły dedykowane są m. in. do akceleratorów medycznych i przemysłowych, a także do układów i urządzeń dedykowanych misjom kosmicznym.

Koncepcja oraz doświadczenia zebrane przy budowie zamykacza wiązki H2 są unikalne na skalę europejską. Zespół rozwijający koncepcję zamykacza wiązki H2 został zaproszony do zaadaptowania koncepcji obracanego zamykacza w infrastrukturze badawczej DONES w Grenadzie. Co więcej, prace badawczo-rozwojowe wykonywane z wykorzystaniem stanowiska badawczego przy kanale poziomym H2 reaktora MARIA pozwolą na testowanie nowych nośników boru, mogących przynieść przełom w leczeniu nowotworów takich jak nowotwory głowy i szyi, mózgu i rozsiane.

Dopuszczenie stanowiska napromieniań kanału H2 do bezpiecznego użytkowania pod względem ochrony radiologicznej jest procesem iteracyjnym, który wymaga następujących po sobie kolejnych kampanii pomiarowych. Przez osiągnięcie zamierzonego efektu rozumie się dozymetryczny opis stanowisk pracy eksperymentatorów i pracowników obsługi kanału H2. Planowane są pomiary radiologiczne w punktach pomiarowych w pomieszczeniach laboratoryjnych określonych w modelu obliczeniowym i stanowiskach pracy eksperymentatorów i pracowników obsługi stanowiska. Wyniki pomiarów posłużą do określenia narażenia personelu przebywającego na stanowiskach pracy przed montażem osłon stałych oraz jako walidacja modelu obliczeniowego. Przeprowadzenie symulacji rozkładu mocy dawki i mocy równoważnika dawki pozwoli na zoptymalizowanie rozmieszczenia osłon stałych w pomieszczeniach stanowiska napromieniań. Narzędziem służącym do planowania rozmieszczenia i określania parametrów osłon radiologicznych będzie kod transportu cząstek MCNP z danymi walidującymi w postaci wyników pomiarów.

Prace realizowane będą sukcesywnie w miarę postępowania montażu stanowiska napromieniań H2. Dostępność aparatury będącej na wyposażeniu wykonawcy zadania pozwala na elastyczne dopasowanie się do prowadzonych prac. Prace realizowane będą bezpośrednio po kolejnych krokach w montażu stanowiska napromieniań H2 oraz bezpośrednio po montażu osłon stałych. Działania związane z budową stanowiska napromieniań wymagają również przygotowania dokumentacji, instrukcji oraz pozwoleń na uruchomienie stanowiska z wiązką neutronów termicznych. Wszystkie dokumenty, tj. plany jakości, raporty bezpieczeństwa i instrukcje jednorazowe muszą powstać zgodnie z przepisami prawa. Każda modernizacja systemu lub elementu konstrukcji lub wyposażenia obiektu jądrowego, która ma wpływ na bezpieczeństwo jądrowe lub ochronę radiologiczną wymaga zgody Prezesa Państwowej Agencji Atomistyki. Zgodnie z harmonogramem drugie zadanie polega na przygotowaniu dokumentacji niezbędnej do przywrócenia funkcjonalności zamykacza wiązki na kanale poziomym H2.

Kolejne z zadań ma na celu realizację i instalację zamykacza wiązki dla kanału poziomego H2. Projekt zamykacza wiązki H2 został w bieżącym roku ukończony i przestawiony do zatwierdzenia. Zakłada się, że po zatwierdzeniu, elementy zamykacz zostaną wykonane i zamontowane w niszy kanału znajdującej się w obudów reaktora MARIA. Do wykonania montażu konieczne jest przygotowanie procedur i narzędzi umożliwiających operowanie elementami osłonowymi o znacznej masie i gabarytach (cylindryczne dyski o 60 cm średnicy i wadze 200kg). Zainstalowany zamykacz umożliwi przebywanie pracowników reaktora MARIA w pomieszczeniach laboratoryjnych w czasie pracy reaktora. Oprócz zamykacza wiązki plan projektu obejmuje skonstruowanie łapacza wiązki czyli ruchomą osłonę biologiczną w pomieszczeniu napromieniań H2. Celem jego powstania jest celu osłonę sąsiadujących pomieszczeń technicznych przed promieniowaniem otwartej wiązki trafiającej w ścianę za obiektem napromienianym.

Uruchomienie stanowiska do badań nad terapią, badań materiałowych dla programów termofuzyjnych i jądrowych, a także badań przemysłowych wymaga również pomiarów wiązki. W związku z wymogami, głównym celem zadania jest opracowanie protokołów opisujących sposób weryfikacji parametrów wiązki neutronowej dla badań radiobiologicznych, chemicznych, medycznych, materiałowych oraz przemysłowych. Unikalność proponowanej wiązki związana jest z możliwością prowadzenia badań w trzech różnych zakresach energetycznych neutronów, a także z różnym udziałem składowej promieniowania gamma. Pomiary doprowadzające do przygotowania protokołów prowadzone będą na trzech głównych etapach zaawansowania prac, tj. po zamontowaniu kręgów stacjonarnych zamykacza wiązki kanału H2, po zamontowaniu kręgów obrotowych oraz w trakcie montażu kolejnych elementów modyfikujących widmo energetyczne i udział składowej gamma w wiązce. Na każdym etapie zaawansowania projektu pomiary obejmą badania fantomowe oraz badania z wykorzystaniem detektorów pasywnych, aktywnych i biologicznych. W badaniach wykorzystane będą rozwiązania komercyjnie dostępne, a także opracowane będą nowe fantomy dedykowane do badań na terapią borowo-neutronową.

Atutem budowanego stanowiska napromieniań jest możliwość geometrycznego kształtowania wiązki poprzez staranny dobór konstrukcji elementów filtrujących i/lub kolimujących wiązki. Wymaga to przygotowania szczegółowych modeli geometrycznych zintegrowanych z modelem zamykacza wiązki. Kolejnym elementem jest modyfikacja widma energetycznego wiązki. W tym celu przeprowadzone zostaną studia literaturowe oraz modelowanie transportu neutronów z wykorzystaniem kodu Monte Carlo. Wynik analiz neutronowych pozwoli na dobór materiałów filtrów w celu modyfikacji widma energetycznego wiązki z uwzględnieniem potrzeb dla przewidywanych eksperymentów.

Program:
Nauka dla Społeczeństwa
Obszar:
Nauka dla innowacyjności
Kierownik projektu:
dr inż. Michał A. Gryziński
Okres realizacji projektu:
2022-2024