弹射聚变反应堆可产生急需的医用同位素

利用核聚变来发电是物理界长期以来的愿望。其中一家致力于实现这一目标的公司是英国的First Light Fusion(First Light)，该公司正在使用一种称为“弹射聚变”的技术来创建一个简单、低成本的惯性聚变发电厂。

First Light在去年证实其技术可以实现核聚变之后，现在正在开发一种净能量增益演示装置，称为“4号机组”。在与西班牙工程公司IDOM合作优化反应堆设计时，该团队意识到，弹射聚变也可以用于生产各种受欢迎的医用同位素。

惯性约束聚变是目前正在开发的两种主要聚变技术之一，它的工作原理是压缩一个含有氢同位素混合物的小型燃料靶丸。在足够高的温度和压力下，靶丸中的氘和氚之间会发生核聚变反应。

美国国家点火装置(NIF)去年12月首次展示了从聚变中获得能量的方法：使用高功率激光来触发核聚变，这也是最常见的惯性聚变技术。First Light正在开发一种不同的方法，即向目标发射高速且低成本的弹丸。目标内的一个放大器将弹丸的能量集中起来，由此产生的冲击波将燃料极限压缩，获得足够高的温度和密度，从而融合并释放出能量脉冲。

聚变释放的大部分能量是以高能中子的形式存在的。这些能量被排列在反应堆内壁的液态锂所吸收，然后可以提取热量来发电。通过与液态锂包层的反应，中子也被用来生成氚。

First Light的联合创始人兼CEO Nick Hawker解释说:“虽然First Light反应堆的最初主要焦点是通过聚变产生电能，但该反应堆也生产氚，以便实现氚燃料的自给自足。氚被大多数其他聚变反应堆使用，而且供应短缺，所以我们开始改变设计，看看是否有可能生产过量的氚以满足使用。在随后的调查中，我们还意识到这些中子可能对同位素生产有用。”

受欢迎的同位素

放射性同位素在医学中广泛应用于诊断和治疗。最常用的是Tc-99m，它是Mo-99的衰变产物。Tc-99m每年被用于数千万个核医学程序，包括用于诊断心脏病的心肌灌注成像，以及用于检测和癌症分期扫描。

目前，Mo-99通常是在几个老化的核反应堆中利用裂变生产出来的，由于半衰期仅有几天，所以无法储存。因此，人们对生产Mo-99和其他医用同位素的新方法的需求越来越大。一种方法是用高能中子轰击稳定元素的原子核，比如由First Light的反应堆产生的中子，使它们转化为所需的放射性同位素。

Hawker解释说，“核聚变产生的中子能量很高，通量也很高。这意味着以核聚变为中子源的同位素生产有很大的空间。理论上，我们可以制备出大量不同的同位素，包括Mo-99。"该团队还研究了用于癌症治疗的同位素，包括Cu-67、Sm-153、Lu-177和Y-90。

中子诱导的反应依赖于能量，有些转化需要高能中子。由于First Light的反应堆将产生高能量的14 MeV中子，公司可能受益于制造具有生产阈值反应能量的同位素。Hawker告诉《物理世界》:“虽然大多数同位素可以用高能中子轰击得到，但我们必须找到具有成本竞争力或具有独特优势的方法。”

Hawker指出，First Light最初未打算借此生产同位素，因为反应堆的液体包层使其难以在中子通量最高的那一面放置样品。然而，该团队现在已经设计了一种方法来控制中子通过包层的路径，允许中子穿透并集中在可以放置同位素产生成分的特定区域。

重要的是，这可以在不损害反应堆发电能力的情况下实现。Hawker解释说:“我们可以有一个厚厚的覆盖层来生产氚和电力，但也允许中子在一个聚焦区域(可以移动)产生同位素。“这意味着我们可以毫不妥协地解决这三个机会。”

First Light将继续与IDOM密切合作，设计其反应堆室和开发4号机组，4号机组将被安置在英国原子能机构位于牛津郡的Culham校区的专用设施中。该工程预计于明年开始建设，计划于2027年开始运营。Hawker说:“一旦该系统进行高通量冲击试验，这可能会给我们一个测试同位素生产的机会，来验证该工作原理。”

First Light的终极目标是建造一座聚变发电厂，发电量约为150兆瓦，每30秒点火一次，成本不到10亿美元。(由First Light Fusion提供)

经过验证的方法

First Light并不是唯一一家利用核聚变技术制造医用同位素的公司。美国SHINE技术公司正在利用其核聚变技术生产治疗性同位素镥-177 (Lu-177)。SHINE于2020年首次实现Lu-177的商业化销售，并于近期在位于威斯康星州简斯维尔的总部开设了北美最大的Lu-177生产设施。该公司目前还在建设一个核聚变驱动的医用同位素生产设施Chrysalis，以生产Mo-99。

医用同位素生产是SHINE为产生聚变能而制定的四阶段路线图的第二阶段。SHINE的创始人兼首席执行官Greg Piefer说:“放射性药物疗法的进步在延长患者的生命方面显示出了巨大的效果，否则这些患者可能没有选择。我们很高兴能在确保这些开创性疗法更快地到达患者方面发挥重要作用，有可能每年挽救或延长数万人的生命。”

Piefer对《物理世界》表示：“我们相信核聚变有潜力生产诊断和治疗癌症的同位素。我们自认为是这一愿景的先驱，很高兴看到其他公司也有兴趣开发解决方案，以减少市场对反应堆的依赖。”