在美國威斯康辛州中南部歷史悠久的小鎮(zhèn)詹斯維爾，有一座大型混凝土和鋼結(jié)構(gòu)建筑正在建成，該建筑物名為Chrysalis。
1、鉬-99
Chrysalis將容納八臺中子發(fā)生器，初創(chuàng)公司SHINE Technologies將使用這些發(fā)生器生產(chǎn)鉬-99。
作為醫(yī)用放射性同位素锝-99的前體，鉬-99每年用于數(shù)千萬次診斷程序，主要用作放射性示蹤劑。
Chrysalis的核心將是高通量中子發(fā)生器，由SHINE的姊妹公司Phoenix提供。
加速器使用氘氚聚變過程產(chǎn)生中子，進而在含水低濃縮鈾靶(19.75%的鈾-235)中引發(fā)亞臨界裂變反應(yīng)，產(chǎn)生鉬-99。
“據(jù)我所知，這將是人類有史以來對融合技術(shù)最大的有益利用，”SHINE的創(chuàng)始人兼CEO Greg Piefer說，“這對我們來說很令人興奮。”
Piefer說，運行時，Chrysalis每年將生產(chǎn)約2克鉬-99，足以治療約2000萬患者。
根據(jù)《科學(xué)美國人》(Scientific American)當(dāng)年的一份報告，2017年，在北美，Tc-99m放射藥物的成本約為每劑20至25美元。
2、Chrysalis工廠
2016年2月，SHINE從核管理委員會(NRC)獲得了Chrysalis大樓的施工許可，該公司于2019年5月在43,000平方英尺的設(shè)施上破土動工。
NRC目前正在審查SHINE根據(jù)10 CFR 50《生產(chǎn)和利用設(shè)施的國內(nèi)許可》運營生產(chǎn)設(shè)施的申請。
Piefer預(yù)計許可證將于2023年晚些時候頒發(fā)。
30年的經(jīng)營許可證，將允許SHINE每周生產(chǎn)8200個6天居里的鉬-99。
6天居里是指鉬-99離開加工廠六天后剩余放射性的測量。
鉬-99的β衰變半衰期為66小時，因此必須不斷生產(chǎn)以滿足需求。
Piefer表示，SHINE預(yù)計產(chǎn)量將達到一半左右，但仍將滿足全球約40-50%的同位素需求。
運營許可證還允許SHINE每周生產(chǎn)多達2,000 Ci的氙-133和碘-131。
SHINE正在采用四階段的方法來擴大Chrysalis的運營，在前三階段，八個中子發(fā)生器(稱為輻照裝置)依次投入生產(chǎn)鉬-99，第四階段將增加氙和碘的生產(chǎn)。
Piefer表示，分階段的方法將使公司能夠最大限度地減少啟動復(fù)雜性，并在所有機組安裝之前開始運營。
他說：“安裝所有八個(輻照裝置)然后開始運行不是非常合理的。”
他補充說，公司將在大約一年內(nèi)迅速完成所有裝置的各個階段安裝。
當(dāng)SHINE于2019年向NRC提交其第50部分經(jīng)營許可證申請時，預(yù)計將于2021年讓輻照裝置上線，并于2022年開始商業(yè)化生產(chǎn)鉬-99。
然而，這一時間表被推遲了三年之久。
盡管該公司仍預(yù)計第一階段建設(shè)將在5月前基本完成，但出于“高度謹慎和保守”的考慮，該公司于2022年4月要求NRC將該建筑的施工期限從2022年12月延長至2025年12月。
在要求延期時，SHINE注意到了設(shè)計和建造首個同類同位素生產(chǎn)設(shè)施的挑戰(zhàn)。
Piefer還將進度延誤歸因于新冠肺炎疫情。
他指出，特別是非施工人員在家工作，無法實時連接造成了困難。
與許多其他行業(yè)一樣，SHINE也受到供應(yīng)鏈問題的困擾。
Piefer表示：“就關(guān)鍵供應(yīng)鏈的成本和進度而言，即使是像配電盤、電線和管道這樣的簡單產(chǎn)品，也都受到了影響。這將東西推后，使它們變得更昂貴。”
3、鉬-99市場
滿足患者對鉬-99需求的挑戰(zhàn)已被廣泛報道。
此前，美國供應(yīng)的大部分鉬-99是由加拿大國家研究通用反應(yīng)堆生產(chǎn)的，該反應(yīng)堆在2016年停止運行之前，生產(chǎn)了全球約40%的同位素供應(yīng)量。
從那時起，大多數(shù)鉬-99由澳大利亞(OPAL)、比利時(BR-2)、波蘭(MARIA)、捷克(LVR-15)、荷蘭(HFR)和南非(SAFARI-I)的研究反應(yīng)堆生產(chǎn)，其中許多反應(yīng)堆自20世紀60年代以來一直在使用。
這使得供應(yīng)面臨因意外事件而中斷的風(fēng)險。
2022年1月，在反應(yīng)堆束流管冷卻系統(tǒng)中檢測到水泄漏，影響了鉬-99和镥-177的生產(chǎn)后，HFR關(guān)閉，其生產(chǎn)的鉬-99約占全球供應(yīng)量的60%。
2022年10月，機械故障導(dǎo)致比利時BR-2計劃重啟推遲，也導(dǎo)致鉬-99和碘-131短缺。
為了確保鉬-99在國內(nèi)的可靠供應(yīng)，同時也減少對高濃縮鈾使用的擴散擔(dān)憂，美國國會于2012年通過了《美國醫(yī)用同位素生產(chǎn)法》，美國國家核安全局與私營公司簽訂了50/50成本分擔(dān)合作協(xié)議，以支持使用低濃縮鈾生產(chǎn)鉬-99。
NNSA目前與SHINE以及位于威斯康星州的NorthStar Medical放射性同位素公司簽訂了合作協(xié)議。
NorthStar目前通過在密蘇里大學(xué)研究反應(yīng)堆輻照和處理鉬-98靶(中子捕獲)，在不使用鈾的情況下生產(chǎn)鉬-99。
去年11月，該公司完成了一個新設(shè)施的建設(shè)，該設(shè)施將使用電子束加速器來誘導(dǎo)濃縮鉬-100的光嬗變(中子敲除)。
與此同時，Niowave使用低濃縮鈾改進的Cintichem工藝從裂變鈾靶中收獲和純化鉬-99。
在美國以外，BWX Technologies的子公司BWXT Medical正在與安大略發(fā)電公司合作，在加拿大安大略省的達林頓核電站生產(chǎn)鉬-99。
達林頓核電站
運行后，它將是世界上唯一的商用動力反應(yīng)堆鉬-99來源。
BWXT的方法不是使用鈾作為起始材料，而是輻照天然鉬靶，通過中子捕獲產(chǎn)生鉬-99。
鉬-99將用于該公司的專利Tc-99m發(fā)生器，該發(fā)生器目前正在接受美國食品和藥物管理局的審查。
對于Piefer而言，SHINE利用低濃縮鈾生產(chǎn)鉬-99的聚變裂變方法優(yōu)于使用嬗變的方法。
他說：“從與我們的客戶交談中可以明顯看出，鉬的具體活性很重要。當(dāng)你開始使用鉬-98時，你的起始材料很少轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品。”
由于鈾與鉬的化學(xué)性質(zhì)不同，Piefer表示，將所有源材料剝離并分離出裂變產(chǎn)生的鉬-99，比試圖從化學(xué)性質(zhì)相同的鉬-98中提取鉬-99更容易。
根據(jù)Piefer的說法，嬗變產(chǎn)生的稀釋成品比裂變產(chǎn)生的鉬-99少10,000倍。
同樣，Piefer表示，通過使用其中子發(fā)生器，該公司避免了建造常規(guī)裂變反應(yīng)堆的高昂成本。
他說：“與新反應(yīng)堆相比，由于采用了基于聚變的發(fā)動機，我們的資本成本要低得多。我們相信我們的運營成本會相應(yīng)降低。我們還沒有證明這一點。但根據(jù)我們的模型，運營成本應(yīng)該比反應(yīng)堆低。”
Piefer補充道，SHINE的系統(tǒng)預(yù)計會比常規(guī)反應(yīng)堆產(chǎn)生更少的放射性廢物。
4、下一階段
對于被高盛評為2022年最杰出企業(yè)家之一的Piefer來說，SHINE的未來不僅僅與鉬-99和其他醫(yī)用放射性同位素的生產(chǎn)有關(guān)。
該公司已經(jīng)開始了四個階段的聚變能源生產(chǎn)之旅。為了反映其業(yè)務(wù)范圍的擴大，該公司去年將名稱從SHINE Medical Technologies更名為SHINE Technologies。
SHINE已經(jīng)完成了其目標(biāo)的第一階段：在無損中子放射中商業(yè)化使用Phoenix的聚變中子發(fā)生器，該公司正在實現(xiàn)擴大醫(yī)用同位素生產(chǎn)規(guī)模的第二階段。
第三階段涉及使SHINE的化學(xué)分離能力，適應(yīng)高放射性廢物的大規(guī)模回收。
Piefer更傾向于使用“回收”一詞而非“再處理”一詞，他表示，作為根據(jù)《美國聯(lián)邦法規(guī)》第10篇第50部分獲得許可的設(shè)施，Chrysalis將配備處理廢舊核燃料的分離和回收的設(shè)備。
隨著SHINE技術(shù)的進步，該公司計劃通過聚變過程實現(xiàn)核廢料的大規(guī)模轉(zhuǎn)化，從而減輕長壽命同位素的負擔(dān)。
Piefer說：“我們相信，基于我們創(chuàng)造的商業(yè)模式，我們可以擴展到(核)廢物領(lǐng)域，并使其成為一項有利可圖的投資。”。
最后一個階段，是在前幾個階段的商業(yè)成功基礎(chǔ)上產(chǎn)生核聚變能。
然而，Piefer承認，聚變能的實現(xiàn)可能還有很長的路要走。
“當(dāng)我審視人類的未來100年，但當(dāng)我思考未來1,000年或10,000年時，我很清楚，在這些時間框架內(nèi)，聚變將發(fā)揮主導(dǎo)作用。我想盡我的一份力量，現(xiàn)在就把它提上臺面。”
Piefer在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校(University of Wisconsin–Madison)的杰拉爾德·庫爾辛斯基(Gerald Kulcinski)教授的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)時，開始了解商業(yè)聚變發(fā)電所面臨的挑戰(zhàn)。
Piefer說，正是庫爾辛斯基讓他思考了聚變的實際用途，而不是發(fā)電。
他說：“庫爾辛斯基有這樣一個想法，那就是你可能會在不久的將來用聚變做一些事情，這真的引起了我的共鳴。”
“當(dāng)時的想法是，如果你能利用聚變的一些短期用途，你將為社會提供價值。”
Piefer指出，SHINE的目標(biāo)是繼續(xù)降低其產(chǎn)生的中子的成本，同時增加這些中子在市場上的使用。
他將其與特斯拉(Tesla)的商業(yè)模式進行了比較，該公司首先生產(chǎn)昂貴的Model S，然后努力提高其生產(chǎn)電動汽車的熟練程度，通過提供更實惠的Model 3來擴大其市場份額。
“隨著你越來越熟練，越來越便宜，越來越多的人能夠負擔(dān)得起，公司也會變得更大。這就是我們正在努力做的。”
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