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Simultaneous Production of Molybdenum-99 and Actinium- 225 using Indonesia Research Reactor (RSG-GAS)

이 연구는 변형된 저농축 우라늄 전착 캡슐을 활용하는 인도의 RSG-GAS 연구용 원자로가 최적화된 조사 및 다회 밀킹 주기를 통해 몰리브덴-99를 동시에 생산하고 액티늄-225 수율을 4.3 GBq까지 높일 수 있음을 입증한다.

원저자: Amila Amatullah, Naoyuki Takaki

게시일 2026-07-07

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CC BY 4.0

원저자: Amila Amatullah, Naoyuki Takaki

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

핵심 요약: 하나의 기계에서 나오는 두 가지 약품

원자력 연구용 원자로를 거대하고 강력한 성능을 가진 주방이라고 상상해 보세요. 보통 이 주방은 **몰리브덴-99 (99Mo)**라는 특정한 종류의 "방사성 빵"을 굽는 데 사용됩니다. 이 빵이 "딱딱해지면" (붕괴하면) 테크네튬-99m로 변하는데, 의사들은 이를 이용해 인체 내부(심장이나 뼈 등)를 찍는 X선 같은 영상을 촬영합니다. 이것은 오늘날 핵 의학 영상 분야에서 가장 흔하게 사용되는 약품입니다.

하지만 **악티늄-225 (225Ac)**라고 불리는 다른 종류의 "약품"은 부족한 상태입니다. 이 약품은 종양 세포에 직접 강력한 알파 입자를 쏘아 보내 암을 치료하는 데 사용됩니다.

목표: 연구진은 오븐이나 재료를 망가뜨리지 않고도, 동일한 주방(인도네시아의 RSG-GAS 원자로)에서 이 두 가지 종류의 약품을 동시에 구울 수 있는지 확인하고자 했습니다.

새로운 도구: "러시아 인형" 캡슐

이를 위해 연구팀은 **변형된 LEU 전착 캡슐(modified LEU electroplating capsule)**이라 불리는 특별한 용기를 설계했습니다. 이 캡슐을 러시아 인형(마트료시카)이나 겹겹이 쌓인 샌드위치라고 생각해 보세요.

외벽: 스테인리스 스틸 용기입니다.
속재료 ( "반죽"): 매우 얇은 저농축 우라늄(LEU) 층입니다. 원자로가 이 층에 중성자를 쏘면, 우라늄이 핵분열을 일으켜 영상 촬영에 필요한 몰리브덴-99를 만들어냅니다.
중심부 ( "속 채움"): 헬륨 가스로 둘러싸인 캡슐 정중앙에는 라듐-226으로 된 작은 표적이 놓여 있습니다.

작동 원리:
우라늄 층이 분열할 때, 단순히 몰리브덴만 만드는 것이 아니라 "빠른" 중성자(마치 고속 탄환과 같은)를 밖으로 쏘아 보냅니다. 이 빠른 탄환들이 중심에 있는 라듐-226과 충돌합니다. 이 충돌은 라듐을 라듐-225로 변형시키며, 이는 결과적으로 암을 치료하는 악티늄-225로 붕괴하게 됩니다.

실험: 완벽한 두께 찾기

연구진은 우라늄 "반죽"의 두께를 어떻게 설정해야 하는지 알아내야 했습니다.

너무 얇으면: 우라늄 층이 너무 얇으면 라듐을 악티늄으로 효율적으로 바꾸기에 충분한 빠른 중성자를 만들어내지 못합니다.
너무 두꺼우면: 우라늄 층이 너무 두꺼우면 열이 너무 많이 발생합니다. 작은 팬에 거대한 스테이크를 올렸다고 상상해 보세요. 팬이 너무 뜨거워져서 손잡이까지 녹여버릴 수 있습니다. 이 경우, 발생하는 열이 라듐 표적을 녹여 실험을 망칠 수 있습니다.

결과:

연구진은 다양한 두께를 시뮬레이션했습니다. 우라늄 층을 두껍게 만들수록 두 가지 약품의 생산량이 모두 증가한다는 것을 발견했습니다.
하지만 "녹는점"이라는 벽에 부딪혔습니다. 만약 층이 0.04 cm보다 두꺼워지면, 열이 너무 높아져 라듐이 견디지 못하게 됩니다.
최적의 지점: 연구진은 0.04 cm가 완벽한 두께임을 밝혀냈습니다. 이는 많은 양의 약품을 만들기에 충분히 두꺼우면서도, 표적이 녹지 않도록 유지할 만큼 충분히 얇은 두께입니다.

수확: 약품 짜내기

캡슐이 원자로 안에 26일 동안 머물면, 라듐-226은 라듐-225로 변하고, 다시 악티늄-225로 변합니다.

연구진은 "젖소를 짜는 것"과 같은 추출(milking) 일정을 계산했습니다. 그들은 17.5일을 기다린 후 악티늄을 추출할 때 가장 많은 수율을 얻을 수 있다는 것을 발견했습니다.

이 과정을 5번 반복함으로써, 총 4.32 GBq(방사능 측정 단위)의 악티늄-225를 생산할 수 있었습니다.
이는 우라늄 층을 사용하지 않았을 때보다 약 19% 더 많은 양입니다.

안전 점검: "유령" 가스들

연구진은 이 과정에서 생성되는 "쓰레기" 또는 불순물도 살펴보았습니다.

라돈 문제: 부산물 중 하나는 라돈 가스입니다. 특히 라돈-219라는 종류가 있습니다. 논문에 따르면 이 가스는 방사성을 띠지만, 매우 빠르게(수 초 내에) 붕데하기 때문에 표준 마스크를 착용한 작업자가 흡입하여 멀리 이동할 가능성은 낮습니다.
라돈-222 이슈: 라듐으로부터 생성되는 또 다른 종류의 라돈인 라돈-222가 있습니다. 이것은 더 오래 지속되기 때문에 더 위험하며, 그 "자식" 입자(붕괴 생성물)들이 흡입될 경우 폐 손상을 일으킬 수 있습니다.
해결책: 논문은 음압실(공기가 밖으로 나가는 대신 안으로 흐르게 하는 방식) 사용과 완전한 보호 장구 착용과 같은 표준 안전 조치가 이러한 위험을 다루기에 충분하다고 제안합니다.

결론

본 논문은 인도네시아의 연구용 원자로를 사용하여 영상용 약품(몰리브덴-99)과 암 치료용 약품(악티늄-225)을 동시에 생산하는 것이 가능하다는 결론을 내립니다. 0.04 cm 두께의 우라늄 층을 가진 특수 설계된 캡슐을 사용함으로써, 표적을 녹이거나 원자로의 안전 한계를 넘지 않으면서도 암 치료제인 악티늄의 생산량을 높일 수 있습니다.

이 논문이 말하지 않는 것:

이 약품이 당장 내일 환자에게 주입될 수 있을 만큼 준비되었다고 주장하지 않습니다.
이것이 전 세계적으로 암 치료 비용을 어떻게 낮출지에 대해 논하지 않습니다.
이 연구는 엄격하게 물리적 현상, 열 계산, 그리고 원자로 내에서의 생산 수치에 집중하고 있습니다.

기술 요약: 인도네시아 연구용 원자로(RSG-GAS)를 이용한 몰리브덴-99 및 액티늄-225의 동시 생산

문제 제 statement
진단용 영상 의학에 사용되는 핵의학 방사성 동위원소 중 80% 이상을 차지하는 테크네튬-99m( $^{99m}$ Tc)의 전구체인 몰리브덴-99( $^{99}$ Mo)에 대한 전 세계적 수요가 높다. 이와 동시에, 표적 알파 핵종 치료(TRT)를 위한 유망한 알파 방출체인 액티늄-225( $^{225}$ Ac)는 심각한 생산 부족 문제에 직면해 있다. 현재의 $^{225}$ Ac 생산 방식은 제한된 토륨-229 비축량이나 가속기 기반 방식(스팔레이션, 변환, 광핵 반응)에 의존하고 있다. 본 연구는 기존의 저농축 우라늄(LEU) 전기 도금 캡슐을 개조함으로써, 열중성자 연구용 원자로 환경, 구체적으로는 인도네시아의 G.A. Siwabessy 연구용 원자로(RSG-GAS) 내에서 $^{99}$ Mo와 $^{225}$ Ac을 동시에 생산하는 과제를 해결하고자 한다.

연구 방법론
본 연구는 OpenMC 몬테카를로 입자 수송 코드를 사용하였으며, ENDF/B VIII.0 핵 데이터 라이브러리를 이용하여 RSG-GAS의 제1 작업 노심을 모델링하였다. 노심 구성은 12개의 연료 요소와 6개의 제어 요소로 이루어져 있으며, 19.75%의 $^{235}$ U 농축도를 가진 알루미늄 매트릭스에 분산된 U $_3$ O $_8$ 을 사용한다.

중앙 조사 위치(CIP)에서의 조사를 위해 수정된 LEU 전기 도금 캡슐을 설계하였다. 이 수정 과정에는 캡슐 중심부에 1그램의 라듐-226( $^{226}$ Ra) 타겟을 삽입하고, 이를 헬륨 가스와 얇은 LEU 층으로 둘러싸는 작업이 포함되었다. 본 연구는 얇은 LEU 층 내의 핵분열 반응이 속중성자를 생성하여, $^{225}$ Ra(n,2n) $^{225}$ Ra 반응(역치 ~6.5 MeV)을 촉진하고, 이것이 이후 $^{225}$ Ac으로 붕괴할 것이라는 가설을 세웠다.

시뮬레이션 파라미터는 다음과 같다:

조사: 15 MW 열출력을 유지하며 26일 동안 조사.
냉각: 조사 후 7일간 냉각.
변수: 반응도, 출력 생성, 중성자 속 및 타겟 생존 가능성에 미치는 영향을 평가하기 위해 LEU 층 두께를 0.01 cm에서 0.25 cm 사이로 변화시킴.
열 분석: 원통 좌표계에서의 1D 푸리에 열전도 방정식을 적용하여 온도 분포를 계산함으로써, $^{226}$ Ra 타겟(녹는점 973 K)이 녹지 않도록 보장함.
용리(Milking) 시뮬레이션: 17.5일마다 5회의 분리(milking) 주기를 거치는 120일간의 $^{225}$ Ac 생산을 모델링함.
불순물 분석: 방사성 핵종 밀도를 분석하여 불순물, 특히 라돈 동위원소( $^{222}$ Rn, $^{219}$ Rn) 및 폴로늄 자핵종으로부터 발생하는 방사선량을 추정함.

주요 결과

중성자 및 반응도: LEU 층 두께가 증가할수록 반응도 삽입과 총 발전량이 증가했다. 테스트된 최대 두께인 0.25 cm에서 LEU 층은 약 1000 kW를 생성하였으며, 반응도 삽입은 약 1.13$에 달해 근접 임계 한계에 접근했다. 또한, 두꺼운 층은 (n,2n) 반응에 유리한 (n,2n) 반응에 유리한 '경화된(harder)' 중성자 스펙트럼을 생성했다.
생산 수율:
- $^{225}$ Ra: LEU 두께를 0.02 cm에서 0.25 cm로 증가시켰을 때 생산량이 약 68.27% 증가했다.
- $^{99}$ Mo: 0.02 cm 대비 0.25 cm에서 생산량이 약 400% 증가했다.
타겟 생존 가능성: 열 계산 결과, LEU 두께가 0.04 cm 이상일 경우 $^{226}$ Ra 타겟 온도가 녹는점(973 K)을 초과하는 것으로 나타났다. 따라서 타겟의 무결성을 유지하기 위한 최대 허용 두께는 0.04 cm로 식별되었다.
최적화된 생산: 최적 두께인 0.04 cm에서 5회의 용리 주기 후 총 $^{225}$ Ac 생산량은 4.32 GBq에 도달했다. 이는 LEU 층이 없는 캡슐에 비해 19% 증가한 수치이며, 0.02 cm LEU 층에 비해서는 12% 증가한 수치이다.
불순물: 분석 결과, $^{226}$ Ra 조사로부터 $^{227}$ Ac이 생성됨에 따라 $^{219}$ Rn이 라돈 동위원소 중 흡입 선량이 가장 높은 것으로 확인되었으나, 짧은 반감기로 인해 위험은 제한적이다. $^{222}$ Rn과 그 자핵종( $^{218}$ Po, $^{214}$ Po)은 흡입 시 심각한 폐암 위험을 초래하므로, 핫 셀(hot cell) 내 엄격한 환기 및 음압 제어가 필요하다. 장수명 베타 방출체인 $^{227}$ Ac과 $^{210}$ Pb은 세심한 폐기물 격리가 필요한 것으로 식별되었다.

의의 및 주장
본 논문은 제안된 수정된 LEU 전기 도금 캡슐이 열중성자 연구용 원자로 내에서 $^{99}$ Mo와 $^{225}$ Ac을 동시에 생산할 수 있는 실행 가능한 방법을 제공한다고 주장한다. 본 연구는 얇은 LEU 층에서 발생하는 핵분열 중성자를 활용함으로써 $^{99}$ Mo의 주요 생산을 저해하지 않으면서도 $^{225}$ Ac 전구체의 생산을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 입증하였다.

저자들은 LEU 층이 두꺼울수록 높은 생산량을 보이지만, 열적 제약이 실질적인 적용을 제한한다고 결론지었다. 0.04 cm의 LEU 두께는 향상된 $^{225}$ Ac 생산(속중성자 속 증가를 통해)과 타겟 안전성 사이의 최적의 균형을 제공한다. 본 연구는 이 접근 방식이 인도네시아의 국내 $^{99}$ Mo 공급 능력을 유지하면서도 전 세계적인 $^{225}$ Ac 부족 문제를 완화하는 데 기여할 수 있음을 시사한다. 저자들은 $^{99}$ Mo는 6일의 짧은 조사 시간이 필요한 반면, $^{225}$ Ra는 26일이 소요되므로 6일마다 LEU 층을 교체하는 물류적 방법에 대한 향후 연구가 필요하다고 언급하였다.

핵심 요약: 하나의 기계에서 나오는 두 가지 약품

새로운 도구: "러시아 인형" 캡슐

실험: 완벽한 두께 찾기

수확: 약품 짜내기

안전 점검: "유령" 가스들

결론

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