京都大学原子炉実験所BNCT推進室

田中浩基、櫻井良憲、鈴木実、増永慎一郎、木梨友子、近藤夏子、楢林正流、仲川洋介、

藤本望、高田卓志、渡邉翼、代谷誠治、高橋千太郎、丸橋晃、小野公二

平成27年1月16日京大炉におけるビーム利用のための次期中性子源検討WS3

中性子捕捉療法Ｂｏｒｏｎ Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｃａｐｕｔｕｒｅ Ｔｈｅｒａｐｙ

KURのBNCT症例

世界のBNCT施設

MITRマサチューセッツ工科大学（１９５９～１９６１、１９９４～１９９９）42例

BMRRブルックヘブン医学研究炉（１９５１～１９６１、１９９４～１９９９）99例

HFRPペッテン研究炉（１９９７～）22例

FiR-1フィンランド研究炉（１９９９～２０１２）311例

LVR-15チェコ研究炉（２０００～）２例

R2-0スウェーデン研究炉（２００１～２００５）52例

イタリア研究炉（２００２～）2例

アルゼンチン研究炉（２００３～）7例

KUR京都大学原子炉 511(+53例)

JRR-4日本原子力研究開発機構 107例

THOR台湾研究炉 37例 （2010～）

JRR-2日本原子力研究開発機構33例

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MuITR武蔵工業大学原子炉(1977～1989)108例HTR日立炉(1968～1974)13例

原子炉中性子源

重水設備

加速器中性子源

加速器 減速体系

ビーム輸送系

照射台

加速器中性子源

ビーム強度

熱外中性子束>1×109 cm-2s-1

ターゲットの熱除去

ビーム電流

加速器減速体系

高速中性子線量含有<2×10-13Gy cm-2（現状4-10×10-13Gy cm-2）

ガンマ線線量含有<2×10-13Gy cm-2

IAEA-TECDOC-１２２３推奨値

加速器中性子源Proton Energy Accelerator

Ep<3MeV 静電型加速器、高周波型加速器

3MeV<Ep<8MeV 直線加速器、サイクロトロン

8MeV<Ep<100MeV サイクロトロン、FFAG

Ep>100MeV シンクロトロン、サイクロトロン、FFAG

Reaction ProtonEnergyEp

Yield（Neutron/Proton）

Melting Conductivity(W/m/K)

Neutron Energy

ModeratorSize

7Li(p,n)7Be 2.5 1.46x10-4 180 84.7 0.1～0.5MeV 小

9Be(p, n)9B 4 1.6x10-4 1278 201 陽子エネルギーに依存

大

9Be(p, n)9B 30 3.0x10-2 1278 201 陽子エネルギーに依存

大

Ta(p,xn) 50 7.0x10-2 3017 57.5 陽子エネルギーに依存

大

ビーム電流 ターゲットの熱除去トレードオフ

減速体系のサイズ 減速体系後の中性子強度

加速器中性子源考慮すべき項目

①ターゲットでの熱除去②ターゲットのブリスタリング③放射化④生成中性子量⑤減速体系の設計⑥加速器電流、電源、冷却水

①ターゲットでの熱除去

熱負荷密度が均一に2MW/m2 (50kW/250cm2)よりも大きい場合は核沸騰領域での熱伝達にしなければならず、ヒートシンクの冷却水配管内部の温度は100℃以下にできない。

沸騰を継続的に起こすために流速を高速にする必要あり（水圧を数気圧）→沸点上昇（5atmで150℃）

バッキング材での温度勾配を考えるとさらに高くなる

・陽子ビームを均一に照射する技術・熱勾配による熱応力発生

・液体Liを用いたプロジェクト

陽子

陽子エネルギー2.5MeV×20mA=50kW

陽子

核沸騰領域 拡大図

1kWの熱負荷を、毎分1リットルの水で冷却するときの水温の上昇は14.4℃＝1kWx60secx0.24/1000

②ターゲットのブリスタリング

ベリリウムターゲット10 MeV 陽子 1uA 2 hours.

ブリスタリング

ブリスタリングを起こしにくいバッキング材の開発が必須。

ベリリウム厚さ5.5 mm(陽子の飛程5.8 mm 30MeV)

ブリスタリング：ターゲット内に荷電粒子が留まり、気泡が発生、剥離する原因

冷却水中に陽子を放出

ターゲット

陽子

陽子

バッキング材と冷却水路

陽子の飛程0.8 mm 10MeV in Be陽子の飛程0.23mm 2.5MeV in Li

飛程の2～3%が飛程ストラグリングでばらつきを生じる

③放射化

熱中性子による放射化27Al(n,) 0.2 barn約2分の半減期

中性子エネルギーを上げると反応チャンネルが開く

③ターゲットの放射化Irradiation Period Cooling Period

メインテナンス

④生成中性子量4MeVの場合に比べて30MeVは約50倍高い

9MeVの場合に比べて30MeVは約10倍高い

2.5MeV入射Liの場合に比べて30MeVBeは約1２５倍平均エネルギーが326keVと低い

⑤減速体系の設計

RBE,CBENormal Tumor

10B 1.35 3.8N 3 3H 3 3G 1 1

Normal 13 ppmTumor 45.5 ppm

Tumor dose = (Dn + Dh) × RBEn + D × RBE + D10B × CBEt × CtNormal dose = (Dn + Dh) × RBEn + D × RBE + D10B × CBEn × Cn

10 keV付近の中性子が深部まで線量を付与する事ができる。

単色の中性子を水ファントム中に入射した際の線量分布

J.C.Yanch et al.,Radiation Research 126, 1-20, 1991.)は~40keVまでが有効

加速器中性子源

リチウム ベリリウム タンタル

陽子エネルギー小 陽子エネルギー大

・放射化しにくい（熱中性子には放射化）・減速体系が小・ブリスタリング有・大電流（熱負荷）

・低融点(180℃)・トリチウム発生

・高融点 ・高融点

・低中性子発生量 ・高中性子発生量・トリチウム発生

・放射化しやすい・発生中性子エネルギー高い・減速体系が大・ブリスタリング無・小電流

世界における加速器BNCTプロジェクト by A. Kleiner@ICNCT16

Institute Accelerator(Status) Target reaction

Beam energy(MeV)

Beam current(mA)

BudkerInstitute Russia

Vacuum insulated Tandem(Ready)

Solid 7Li(p,n) P:2.0N:<1

2

Birmingham University UK

Dynamitron(Ready) Solid 7Li(p,n) P:2.8N:<1

1-2

KURRI Japan Cyclotron(Completed,Clinical trials started)

Be(p,n) P:30N:up to 28

1

SARAF Israel RFQ-DTL(Ready) Liq. 7Li(p,n) P:up tp 4N:<1

1-2

Legnaro INFN Italy

RFQ(Under construction) Be(p,n) P:4-5N:up tp 2-3

30

Tsukuba Japan RFQ-DTL(Underconstruction)

Be(p,n) P:8N:up to 6

10

CNEA Buenos Aires Argentina

Single ended Tandem Electrostatic Quadrupole(TESQ)(Under construction)

Be(d,n), Solid 7Li(p,n)

P:1.4N:up to 6P:1.9-2.3N:<1

30

30

NCC-CICSJapan

RFQ(Under development)

Solid 7Li(p,n) P:2.5N:<1

20

CICS-NCC

CICS-NCC

Tsukuba-MHI

Osaka-SC

SouthernTOHOKU-SHI

KURRI-SHI

日本における加速器BNCTプロジェクト

Tsukuba-MHI

Osaka-SC

KURRI-FFAG

KURRI-FFAG

KURRI-SHI

SouthernTOHOKU-SHI

Nagoya

Okinawa

加速器室

1F

2F3F

イノベーションリサーチラボ医療棟

イノベーションリサーチラボ

KUR KUCA

Kyoto University ResearchReactor Institute@KUMATORI

2008年12月 C-BENSインストール

Cyclotron Based Epithermal Neutron Source(C-BENS)

照射室

2009年3月 中性子発生試験開始、施設検査合格

2007年 8月 京大炉と住友重機械工業と共同研究開始

2012年10月 再発悪性神経膠腫に対する治験開始

2014年4月 頭頸部がんに対する治験開始

3030 mm1620 mm

1724 mm

加速粒子: 水素負イオン(-H)住友重機械工業社製:HM30

最大エネルギー:30MeV電流値: 1mA (Maximum ~2mA)最大出力 : 30kW

Cyclotron Based epi-thermal Neutron Source(C-BENS)

減速体系Pb : 高速中性子に対するブリーダーと減速材Fe : 高速中性子に対する減速材

減速体系Al and CaF2 : 熱外中性子を生成するためのフィルターPolyethylene : 高速中性子の遮蔽

減速過程Pb、Feにより高速中性子を減速

AlとFを用いて熱外中性子の生成

Calculation using MCNPX

ABCD

C-BENSとKURとの比較

1.22E09

総合南東北病院2014年4月 機器搬入

2014年9－10月 中性子発生試験開始、施設検査

2013年3月 センター起工

2015年夏 頭頸部がん治験開始予定

Health Facilities: 70General Hospitals : 6

http://www.minamitohoku.or.jp/index.ph

JAPAN

今後2015年～2017年中性子が出れば日本各地で治験が開始される。

原子炉実験所の役割・KURにおける臨床研究の推進,適応拡大,

共同利用推進・C-BENSにおける治験の推進・BNCTに関わる人材育成・BNCT国際拠点・C-BENSの高強度化・新規薬剤の開発には細胞・動物照射が必須

→基礎研究用照射場の整備、共同利用への展開→病院には設置困難

ありがとうございました