The interest in the boron neutron capture therapy (BNCT) has been renewed for cancer therapy with some indication of its potential efficacy in recent years.
To solve the most important problem that thermal neutrons are attenuated rapidly in tissue due to absorption and scattering, thermal neutron beams are replaced by epithermal neutron beams. Thus, epithermal neutron beams are directed towards a patient''s head, during their passage through tissue these neutrons rapidly lose energy by elastic scattering until they end up as thermal neutrons in target tumor volume. The thermal neutrons thus formed, are captured by the $^10B$ atoms which become $^11B$ atoms in the excited state for a very short time $10^{-12}$ sec. The $^11B$ atoms then decay producing alpha particles, $^7Li$ recoil nuclei and gamma rays. Tumor cells are killed selectively by the energetic alpha particles and $^7Li$ fission products.
We propose a 300kW slab type reactor core having thin and large surface areas so that most of the neutrons emerging from the faces and entering moderator region are fission spectrum neutrons to acquire high intense epithermal neutron beam with high quality. All faces of the slab core, East-West region and North-South region, were considered for epithermal neutron beam collimators. Plate-type $U_3Si_2-Al$ dispersion fuel having high uranium density is very compatible with composing of a slab type core. The reactor core is loaded with 3.89kg $U^235$ and has the dimension of about 23.46cm width, 31.28cm length and 64.8cm height, with 216 locations to place 204 fuel elements, eight control plates and four safety plates.
The general-purpose MCNP 4B code was used to carry out the neutron and photon transport computations. Both $krm_eff$ criticality and fixed source problems were computed. We could reduce at least 7 times long computer time (105 to 140 h in a run) needed to initiate enough neutrons in a run ( 6000 to 8000 cycles in a run with 3000 neutrons per cycle) using the PVM (Parallel Virtual Machine) system composed of 12 CPU(intel celeron 300A).
Optimized moderation/filter is calculated from fixed source calculation and that configuration is $AlF_3$, Al, Ti, Cd, Bi, and Air. The proposed reactor provides an East-West regional epithermal neutron beam of $1.67×10^10 n_epi/㎠ㆍs$ intensity with low contamination by fast neutrons ($2.2×10^{-13} Gyㆍ㎠/n_epi$) and gamma rays ($1.4×10^{-13}Gyㆍ㎠/n_epi$) and a North-South regional epithermal neutron beam of $1.29×10^10n_epi/㎠ㆍs$ intensity with low contamination by fast neutrons ($3.0×10^{-13}Gyㆍ㎠/n_epi$) and gamma rays ($2.0×10^{-13}Gyㆍ㎠/n_epi$).
The proposed design surpasses the neutronic design goals for in-air beam performance, providing epithermal neutron beams with high intensity($＞1.0×10^10n/㎠ㆍsec$) and high quality in both East-West region and North-South region. Independent neutron beam shutters control beam delivery to the patient and two control assemblies effectively can shutdown the reactor. A separate set of 4 control plates will control the reactivity in the case of emergency as an auxiliary device.
With a low operating power of 300kW the heat generated in the core can be removed efficiently by natural convection through a pool of light water and proper cooler. Consequently, the plate fuel based-300kW reactor for BNCT is capable of safely delivering treatments in a few minutes with a relatively low cost and the reactor could be constructed at a hospital in metropolitan area.
보론 중성자포획 암치료의 주대상이 되어온 신경교종은 신경교세포가 암세포로 변하여 생기는 것이다. 신경교종은 뇌 이외의 다른 장기로는 거의 전이하지 않으며 전체 악성 암의 약 80% 를 차지하고 아직도 효과적인 치료법이 없기 때문에 보론 중성자포획 암치료는 주로 뇌암에만 적용되어 왔다. 신경교종의 경우 암세포에 특히 보론화합물이 잘 모이는 성질때문에 머리뼈를 절개하지 않고도 미리 투입된 보론화합물이 선택적으로 침투한 뇌세포에 중성자빔을 쏴서 중성자와 보론($^10B$)의 핵반응으로 부터 생성된 α와 $^7Li$ 등의 에너지 로 인해 뇌세포만 없앨 수 있는 효과적인 방법이다. 그러나 투과력이 약한 열중성자를 쓰면서 머리뼈를 절개하지 않고 조사한 것과 사용한 붕소화합물이 기대와 달리 암세포에 집중적으로 모이지 않은 것이 그동안의 실패의 가장 중요한 원인이라고 할 수 있다. 따라서 현재 연구되고 있는 사안은 머리뼈를 충분이 투과할 수 있는 센 열외 중성자의 획득과 암세포에 집중적으로 모이도록 하는 보론화합물의 개발이다.
충분한 열외 중성자를 얻는 것은 단시간에 암세포에 조사하기 때문에 고정된 상태로 있어야 하는 환자의 심리적, 경제적 부담을 줄일 수 있음은 물론이고 보론화합물이 정상세포로 퍼지는 시간을 줄일 수 있어 치료 효과를 높일 수 있다. 그러나 무엇보다도 뇌암과 같이 깊숙이 존재하거나 종양의 크기가 클 경우에 머리뼈를 충분이 통과 할 수 있기 위해서 센 열외 중성자를 안전하게 얻을 수 있는 방법이 가장 중요하다고 할 수 있다. 이를 위해서 전 세계적으로 활발이 진행되고 있는 연구중의 하나는 기존의 원자로의 thermal column 영역에 핵분열이 가능한 판을 대서 핵분열 중성자원을 좀더 환자 가까이에 가져감으로서 중성자 감쇠로 인한 중성자량 감소를 막는 것이다. 또한, 계획중인 원자로 설계단계에서도 많은 열외중성자를 얻고자 하는 목적에 맞게 MCNP와 같은 3차원 코드를 이용하여 중성자빔의 세기와 빔의 순도를 높일 수 있는 방안을 모색중이다.
이와 목적을 같이 하여 본 논문은 원자로로 부터 나오는 중성자의 사용을 극대화하기 위해 넓은 면적과 비교적 얇은 두께를 가지는 원자로심을 설계함으로서 핵분열을 통해 나오는 대부분의 중성자가 바로 치료를 위해서 쓰일 수 있도록 하였다. 이를 위해서 $U^235$ 의 밀도가 높은 저농축 $U_3Si_2-Al$ 판형핵연료를 사용하였다. 원자로의 노심은 204개의 핵연료판으로 구성되었으며 총 3.89kg 의 $U^235$가 사용되었다. 구성된 노심은 슬랩형이며 슬랩의 4면 모두 암치료를 위해 사용하도록 설계하였다. 원자로는 물에 의해서 감속 및 냉각되고 원자로의 제어는 Cd 으로 된 8개의 운전 정지용 제어판과 2개의 비상정지용 제어판과 빠르게 움직이는 shutter에 의해 이루어진다.
동-서 쪽의 열외중성자빔의 중성자속은 $1.67×10^10n_epi/㎠ㆍs$이고 열외중성자당 고속중성자의 흡수 선량은 $2.2×10^{-13}Gyㆍ㎠/n_epi$ 이고 감마선의 흡수 선량은 $1.4×10^{-13}Gyㆍ㎠/n_epi$이다. 북-남 쪽의 열외중성자빔의 중성자속은 $1.29×10^10n_epi/㎠ㆍs$이고 열외중성자당 고속중성자의 흡수 선량은 $3.0×10^{-13}Gyㆍ㎠/n_epi$ 이고 감마선의 흡수 선량은 $2.0×10^{-13}Gyㆍ㎠/n_epi$이다.
이와같이 4면의 열외 중성자빔이 설계목적에 상당히 부합되며 원자로 자체의 크기가 상당히 작기 때문에 판형핵연료를 이용한 슬랩형 노심을 기반으로 한 저출력 원자로는 병원에 설치가 가능하다고 할 수 있다.
