Desarrollo y construcción de un blanco de producción de neutrones, orientado a la Terapia por Captura Neutrónica en Boro con aceleradores
2017
| Tesista | Leonardo GAGETTI Licenciado en Ciencias Físicas - Universidad de Buenos Aires - Argentina Doctor en Ciencia y Tecnología, Mención Física - Instituto Sabato UNSAM/CNEA- Argentina |
| Director | Dr. Andrés KREINER, CNEA, UNSAM - Argentina |
| Codirector | Dra. Mariela DEL GROSSO, CNEA, UTN - Argentina |
| Lugar de realización | Gerencia Investigación y Aplicaciones - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina |
| Fecha Defensa | 20/03/2017 |
| Jurado | Dr. Martín Alejo ALURRALDE, CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina Dr. Mario Andrés CACHILE, UBA, CONICET - Argentina Dr. Claudio Ariel DANÓN CNEA - Argentina |
| Código | IS/TD 104/17 |
Título completo
Desarrollo y construcción de un blanco de producción de neutrones, orientado a la Terapia por Captura Neutrónica en Boro con aceleradores
Resumen
En los últimos años, ha habido un creciente interés internacional para realizar avances en el campo de La Terapia por Captura Neutrónica en Boro (BNCT, por sus siglas en inglés), la cual es una terapia binaria que apunta al tratamiento de ciertos tipos de cáncer para los cuales hasta el momento no existen tratamientos, o sólo existen de manera paliativa. Para que esta terapia pueda llevarse a cabo, se requieren haces intensos de neutrones, con una energía adecuada a la patología a tratar.
En la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) de Argentina, se está llevando a cabo un proyecto de desarrollo y construcción de aceleradores electrostáticos que generan haces intensos de neutrones mediante reacciones nucleares inducidas. Entre otras aplicaciones médicas y nucleares, estos aceleradores serán usados para llevar a cabo la Terapia por Captura Neutrónica en Boro basada en aceleradores (AB-BNCT, por sus siglas en inglés).
Una de las reacciones nucleares que está siendo considerada para generar el haz de neutrones apropiado para ser usado en AB-BNCT, es la reacción 9Be(d,n)10B. Esta reacción se requiere que un haz de D de 1.45 Mev y un flujo del orden de 1018 iones/(hr cm2), impacte sobre el blanco, inyectando una densidad de potencia del orden de 1 kW/cm2.
Este trabajo se enmarca dentro del proyecto de desarrollo y construcción de aceleradores electrostáticos, el cual se está llevando a cabo en la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) de Argentina.
El objetivo principal de esta tesis, es el de desarrollar y construir un blanco de producción de neutrones para ser usado en la Terapia por Captura Neutrónica en Boro con aceleradores (AB-BNCT, por sus siglas en inglés). El blanco debe ser capaz de generar el flujo de neutrones adecuado para la terapia, drenar la potencia inyectada por el haz (del orden de 1 kW/cm2), soportar el daño por hidrógeno y radiación el mayor tiempo posible y brindar soporte robusto para mantener el alto vacío dentro del acelerador.
Con el fin de drenar la potencia inyectada, se describió una técnica de muy alta eficiencia en el drenado de calor, llamada técnica de microcanales. Para poder predecir el comportamiento de un sistema de microcanales, se desarrolló y se realizó una validación numérica de un modelo de resistencia térmica y un software que resuelve sistemas físicos a través del método de elementos finitos. También se realizó una validación experimental de las herramientas de cálculo, mediante el diseño y construcción de un banco de pruebas, y se realizó una evaluación de los materiales que mejor comportamiento térmico y mecánico poseen para responder a los requerimientos de la aplicación.
Debido a la resistencia al daño reportada en la bibliografía, los materiales W, Mo y Ta fueron seleccionados como candidatos a ser usados de material de mitigación del daño generado por el haz incidente. Luego, con el fin de estudiar el daño que se genera en los materiales seleccionados, se realizaron experiencias de irradiación, con diferentes fluencias.
Dado que el componente del blanco encargado de generar el haz de neutrones es un depósito delgado de Be, se han obtenido y caracterizado, mediante diferentes técnicas, depósitos estables y bien adheridos de Be, sobre sustratos de W y Mo. También, se realizaron irradiaciones sobre estos depósitos para evaluar el daño generado sobre los mismos.
Por último, se diseñó y construyó un prototipo de blanco y se propuso una técnica que permite ensamblar, mediante una soldadura por difusión, las diferentes partes del mismo.
Palabras clave: AB-BNCT - Blancos de producción de neutrones - 9Be(d,n)10B - Microcanales - Daño por radiación - Depósitos de Be.Complete Title
Development and construction of a neutron production target, oriented to the accelerator based on Boron Neutron Capture Therapy
Abstract
This work is part of an R&D project of accelerator technology for medical and industrial purposes, which is being carried out at the National Atomic Energy Commission of Argentina (CNEA for its acronym in Spanish).
The main objective of this thesis is to develop and construct a neutron production target to be used in Accelerator-Based Boron Neutron Capture Therapy (AB-BNCT). The target must be able to generate a suitable neutron flux for the therapy, drain the power injected by the beam (of the order of 1 kW/cm2), withstand hydrogen and radiation damage for as long a time span as possible and provide robust support to preserve the high vacuum inside the accelerator. In order to carry away the injected power, a technique of very high efficiency to drain the heat, called microchannel technique, was developed.
To predict the behavior of the microchannel system, a numerical validation was performed using a thermal resistance model and a software was utilized that solves physical systems through the finite element method. An experimental validation of the calculational tools was also carried out, by means of the design and construction of a test stand, and an evaluation of the available materials with best thermal and mechanical behavior was performed to respond to the requirements of the application.
Due to the significant damage resistance reported in the literature, the elements W, Mo and Ta were selected as candidates to be used as mitigation materials to prevent the damage generated by the incident beam. Subsequently, with the purpose of studying the damage that is generated in the selected materials, irradiation experiments with proton beams and different fluences were performed.
Since the component of the target responsible for generating the neutron flux is a thin deposit of Be, stable and well adhered layers of this element have been produced and characterized by different techniques on W and Mo substrates. Also, irradiations were carried out on these deposits to evaluate the damage generated on them.
Finally, a target prototype was designed and built, and a diffusion bonding technique was proposed that allows to assemble the different parts of the target.
Key words: AB-BNCT - Neutron Production Target - 9Be(d,n)10B - Microchannels - Radiation damage - Be deposits.
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