SPES

Selective Production of Exotic Species

Progetto premiale finanziato dal MIUR

Referente: FABIANA GRAMEGNA (INFN-LNL)  - ad interim
Horizoon 2020: EXCELLENT SCIENCE - BETTER SOCIETY
Area prioritaria: Fisica Nucleare, Salute e Scienze della Vita, Applicazioni con neutroni


SPES è un progetto per la realizzazione di una infrastruttura di ricerca per la produzione di fasci esotici di interesse per la fisica e l’astrofisica nucleare e per le applicazioni soprattutto in ambito medico (produzione di radioisotopi).

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Figura 1: Planimetria dell’edificio SPES ai LNL.

Il progetto si distingue in quattro fasi:

SPES alpha

La fase Alpha è relativa alla installazione ed alla messa in operazione di un ciclotrone B70 capace di accelerare fasci di protoni in un intervallo energetico fra 35 e 70 MeV ad alta intensità (correnti previste fino a 750 μA). Il ciclotrone di SPES  pesa 190 tonnellate, ha un diametro di 4.5 m ed un’altezza di 2.0 m, è fornito di quattro settori, un magnete resistivo per un campo magnetico massimo di 1.6 T e prevede due punti di estrazione del fascio, tali da permettere la simultanea attività su due punti sperimentali, uno dedicato alla fisica nucleare, l’altro alle applicazioni. L’edificio SPES ospita il ciclotrone, le aree di irraggiamento o bunker dedicati sia alla produzione di fasci esotici (ISOL) che alla produzione e ricerca di radioisotopi (LARAMED, ISOLPHARM), alcuni laboratori per lo studio, la caratterizzazione e la radiochimica per la produzione di radiofarmaci, altri laboratori per la produzione e caratterizzazione di bersagli di UCx, un’area di attività per la sperimentazione con fasci esotici non riaccelerati, la zona di controllo del ciclotrone, l’area dedicata all’imponente impiantistica al servizio dell’acceleratore e dei sistemi bersaglio e della ventilazione dei bunker, che devono essere operati in leggera depressione.

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Figura 2: Ciclotrone e alcune linee di fascio.

SPES beta

La fase beta del progetto SPES prevede l’installazione di una infrastruttura per la ricerca in fisica nucleare con produzione di fasci esotici derivanti da sistemi di produzione di tipo ISOL dall’interazione di un intenso fascio di protoni (200 μA) con diversi bersagli capaci di sostenere fino a circa 10 KW di potenza. Fra i diversi bersagli quello di maggiore interesse è il carburo di uranio,  tramite il quale si possono raggiungere 1013 fissioni/s, così da permettere la produzione di diversi elementi esotici che possono essere estratti dalla sorgente con buona intensità. Le specie nucleari formate in questi processi sono caratterizzate da un eccesso di neutroni, sistemi “esotici” non presenti sulla terra a causa della loro breve vita.

I fasci esotici prodotti possono essere direttamente inviati sui bersagli sperimentali (sperimentazione a bassa energia) oppure possono essere riaccelerati tramite il post-acceleratore ALPI (Acceleratore Lineare per Ioni Pesanti) dei LNL (ad esempio, 132Sn fino a 10 MeV/nucleone). Il fascio di particelle accelerato interagisce con bersagli adeguati, scelti in modo da produrre nuovi nuclei estremamente ricchi di neutroni, come quelli generati nelle fasi stellari avanzate. Le reazioni nucleari prodotte permettono di studiare diverse caratteristiche della materia nucleare lontana dalla valle di stabilità e dei nuclei che hanno caratterizzato l’evoluzione dell’universo. Si potrà così studiare in laboratorio cosa avviene nel cuore delle stelle, ricavando informazioni cruciali per la conoscenza del nostro universo.

L’evoluzione delle stelle e il loro destino dipendono in modo critico dal gioco fra la forza gravitazionale, che tende a farle collassare, e le reazioni nucleari nel loro nucleo che liberano energia e generano espansione. Inizialmente le stelle bruciano idrogeno trasformandolo in elio, quindi elio in carbonio, e così via a generare per fusione elementi chimici sempre più pesanti, fino al ferro. Gli elementi ancora più pesanti, fra la valle di stabilità e la drip line, si formano nelle fasi finali ed esplosive delle supernove di tipo II per assorbimento di flussi di neutroni, tramite il cosiddetto processo r (rapid=rapido). Gli altri elementi pesanti, per la maggior parte inclusi nella valle di stabilità, sono prodotti durante la vita della stella con flussi di neutroni di svariati ordini di grandezza minori rispetto al caso precedente, per mezzo di un processo denominato s (slow=lento).

Diversi apparati sperimentali sono stati sviluppati per lo studio delle reazioni con ioni esotici a bassa energia come la stazione a nastro per studi di decadimenti beta e con fasci riaccelerati come gli spettrometri gamma AGATA e GALILEO, lo spettrometro magnetico PRISMA, il multi-rivelatore per particelle GARFIELD.

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Figura 3: Disegno della configurazione di AGATA in sala I. Apparato sperimentale GALILEO in sala II. Apparato sperimentale PRISMA in sala I, da accoppiare ad AGATA. Apparato sperimentale GARFIELD in sala III.

Per lo studio delle reazioni e della struttura nucleare con fasci radioattivi in cui si può aspettare che le specie più esotiche vengano prodotte con intensità molto basse, dell’ordine di 102-103 pps, si è sviluppato un rivelatore a bersaglio attivo (ATS) cioè è un tracciatore che funziona come una Time Projection Chamber (TPC) in cui il gas usato per la rivelazione è, allo stesso tempo, il bersaglio per la reazione nucleare di interesse. Questo pone grossi vantaggi in termini di luminosità e permette di studiare anche le specie più esotiche tramite reazioni di diffusione elastica ed anelastica con fasci molto poco intensi.

 Fase gamma:

I radiofarmaci sono uno strumento fondamentale della medicina nucleare moderna, per eseguire diagnosi e terapie di numerose malattie, sfruttando i processi metabolici che avvengono a livello cellulare. Sono composti da una parte biologicamente attiva, che funziona come una chiave selettiva per lo specifico processo cellulare (noto come agente targhettizante), sia da una parte che funziona come legante, per garantire la stabilità chimica del composto all’interno del corpo. Infine da un radionuclide, legato chimicamente ad una molecola, avente le caratteristiche adatte, che emette radiazione, ovvero lo strumento che interagisce con i tessuti biologici per ottenere informazioni (immagini) oppure per danneggiarli selettivamente (terapia).

I radionuclidi sono infatti atomi radioattivi che, dopo un certo tempo, detto emivita, decadono emettendo radiazione, e si trasformano in un elemento chimico diverso; ogni radionuclide è caratterizzato da un’emivita ed una radiazione specifica, le cui caratteristiche possono essere sfruttate in medicina (radiazione γ oppure β+ per diagnosi; radiazione α, e- Auger oppure β- per terapia).

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Figura 4: Schema di produzione di un radiofarmaco.

Per questo motivo è importante avere a disposizione numerosi radionuclidi, con caratteristiche fisico/chimiche diverse, per poter costruire radiofarmaci sempre più efficaci e selettivi. La produzione di radionuclidi, sia quelli già usati in medicina nucleare, sia quelli innovativi, sono l’obiettivo fondamentale della fase gamma del progetto SPES.

A questo scopo si sfrutterà il ciclotrone e le competenze sviluppate all’interno dei LNL in fisica nucleare, radiochimica, scienza dei materiali, ingegneria, ecc. La ricerca sui radionuclidi / radiofarmaci è, infatti, un tipico esempio di scenario della ricerca emergente, in cui è necessario un approccio marcatamente interdisciplinare per realizzare, con successo, programmi di ricerca impegnativi. Sfruttando le peculiarità della facility SPES sono stati messi a punto due possibili processi di produzione che fanno capo ai progetti LARAMED ed ISOLPHARM.

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Figura 5: I progetti LARAMED e ISOLPHARM (SPES gamma).

Progetto LARAMED

LARAMED, (acronimo per LAboratorio di RAdionuclidi per la MEDicina) è il programma di ricerca che include al suo interno diversi progetti mirati, tutti focalizzati allo studio è produzione, in modo alternativo/innovativo, di radionuclidi di interesse, sia per la diagnostica che per la terapia (ad. es., 99mTc, 64,67Cu, 47Sc, 51,52Mn, 89Zr ecc.) sfruttando il metodo cosiddetto dell’attivazione “diretta”. Questo consiste nell’irraggiare, con il fascio di protoni che sarà disponibile dal ciclotrone, un bersaglio dalle caratteristiche opportune (materiale, spessore, supporto, ecc.) per un tempo tale da massimizzare la produzione del radionuclide di interesse, minimizzando al contempo quella dei radioisotopi contaminanti.

L’ottimizzazione della produzione, ovvero l’individuazione delle caratteristiche ideali del bersaglio e dei parametri fisici dell’irraggiamento, parte dalla conoscenza delle reazioni nucleari coinvolte. Le competenze in ingegneria meccanica e scienza dei materiali, sono indispensabili per cercare di aumentare l’intensità del fascio di protoni il più possibile, senza danneggiare il bersaglio irraggiato, in modo da aumentare l’attività finale del radionuclide prodotto.

Al termine del bombardamento, il bersaglio viene trattato chimicamente per estrarre e purificare il radionuclide d’interesse, separandolo da tutte le altre specie chimiche prodotte. Una volta ottenuto il prodotto, purificato, è possibile eseguire i controlli di qualità (per garantire la purezza chimica, radiochimica e radionuclidica del prodotto, individuata da opportuni protocolli) e procedere con la fase successiva di marcatura del radiofarmaco, ovvero legando chimicamente il radionuclide al composto chimico (esistente od innovativo) per ottenere il radiofarmaco desiderato.

Proposto alcuni anni fa, l’obiettivo principale del progetto LARAMED è quello di concentrare la ricerca sui nuovi radionuclidi che abbiano un potenziale interesse per la medicina nucleare. Sebbene non ancora disponibili (sia per applicazioni scientifiche che cliniche) potrebbero svolgere un ruolo chiave nel miglioramento degli approcci nel trattamento dei pazienti e nella ricerca clinica. Inoltre, LARAMED si concentrerà anche sulla ricerca di percorsi di produzione alternativi (cioè reazioni nucleari basate su tecniche di produzione mediante acceleratori) anche per quei radionuclidi prodotti in modo convenzionale, mediante reattori nucleari, e già utilizzati nei reparti di medicina nucleare negli ospedali (ad es. il 99mTc, usato da più di 50 anni negli ospedali di tutto il modo).

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Figura 6: Schema di produzione del radio nuclide e strutture di laboratorio

Progetto ISOLPHARM

Tra gli aspetti fondamentali nello sviluppo di nuovi radiofarmaci vi è lo studio delle migliori strategie per assicurare la disponibilità di radionuclidi con grado di purezza sufficientemente elevato per garantire la qualità e l’efficacia del composto finale. Pertanto, in aggiunta alle procedure convenzionali di produzione, per lo più basate sull’uso di acceleratori o reattori, l’INFN ha brevettato un metodo innovativo, ISOLPHARM, basato sullo sfruttamento delle tecnologie ISOL sviluppate per il progetto SPES.

Secondo questa tecnica, il fascio radioattivo uscente dalla facility SPES, dopo essere stato purificato in massa mediante separatori elettromagnetici, viene collezionato su appostiti substrati, detti target di deposizione. In questo modo si ottiene l’impiantazione nel substrato del radionuclide di interesse con eventuali contaminanti isobarici, caratterizzati però da un diverso numero atomico Z (e quindi sono elementi chimici differenti). Il target di deposizione viene quindi disciolto e uno step di separazione chimica (qualora necessario) permette l’eliminazione di tutti i contaminanti, garantendo una soluzione contenente il solo radionuclide di interesse, che potrà essere utilizzata per i successivi processi radio farmaceutici.

Il metodo ISOLPHARM presenta numerosi vantaggi: è versatile poiché consentirebbe di produrre una vasta gamma di radionuclidi, sia per applicazioni diagnostiche sia per la terapia; è flessibile perché dallo stesso bersaglio di produzione possono essere estratti radionuclidi diversi, è sufficiente solo cambiare le impostazioni dei separatori di massa per raccogliere una diversa famiglia di isobari, è innovativo perché permetterà di produrre nuclei innovativi, difficilmente ottenibili con le tecniche tradizionali (es: 111Ag), ed è a più basso impatto ambientale rispetto ai reattori nucleari.

 

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Figura 7: Schema per la produzione di radionuclidi col metodo ISOLPHARM e un particolare del bersaglio sviluppato ai LNL.

Fase delta

Il ciclotrone di SPES viene utilizzato anche per produrre intensi fasci di neutroni. I neutroni sono generati da reazioni fra il fascio di protoni e bersagli di berillio, litio e tungsteno. I neutroni sono particelle nucleari che non hanno carica elettrica e quindi interagiscono solo con i nuclei degli atomi. L’assenza di carica elettrica li rende particolari, sia perché non sono facilmente gestibili (non si possono fermare o piegare usando campi elettrici o magnetici) sia perché sono molto penetranti (possono attraversare anche metri di materiale). I neutroni hanno una vita media di circa un quarto d’ora, quindi non sono presenti nell’universo, se non in certe regioni. I neutroni sono creati per esempio dall’interazione dei raggi cosmici con la materia: sulla terra sono prodotti dalle collisioni con l’atmosfera. I neutroni sono anche molto dannosi sia per la salute che per i dispositivi elettronici.

La facility per fasci di neutroni di SPES (NEPIR) ha come scopo lo studio degli effetti dei neutroni in tantissimi campi, dall’elettronica alle missioni spaziali, passando per i reattori nucleari di quarta generazione e gli inceneritori di scorie radioattive senza mai tralasciare la fisica fondamentale e lo studio dei materiali. Quando un neutrone colpisce un dispositivo elettronico, la reazione che avviene porta ad un danneggiamento del dispositivo, che può essere temporaneo (SEE) o definitivo (SEU). In ogni caso, se il dispositivo è complesso (server di database o per telecomunicazioni, satelliti, aerei o navi) il danno provoca un fault del device, con conseguente danno temporaneo o permanente. La corsa alla miniaturizzazione dei dispositivi elettronici ha portato ad un aumento esponenziale della probabilità di un danno indotto da neutroni. Lo sviluppo dell’elettronica in ogni campo della nostra vita necessita quindi di sistemi elettronici in grado di resistere alla radiazione da neutroni, che, per la loro peculiarità, non sono facilmente schermabili.

Oggigiorno, la nostra tecnologia ci permetterebbe di portare con relativa facilità l’uomo su Marte. I mezzi spaziali ne sono in grado e i tempi di permanenza nello spazio sufficientemente lunghi (si pensi ai soggiorni sulla stazione spaziale). Il problema è farli arrivare e tornare vivi! Il problema maggiore sono le radiazioni e fra queste quelle neutroniche sono le più difficili da gestire. È necessario inventare schermature, quindi materiali, in grado di essere leggeri, compatti ed aventi ottime qualità schermanti. La facility NEPIR, in collaborazione con ASI (progetto SPARE), è deputata a testare materiali innovativi per le missioni spaziali e studiare modelli adeguati a predire gli effetti delle radiazioni neutroniche sui materiali e sugli esseri umani in vista di una nuova colonizzazione dello spazio.

Gli effetti delle radiazioni sull’organismo vivente provocano danni permanenti e letali; oltre allo studio di materiali in grado di schermare o ridurre queste radiazioni, si studiano gli effetti del danno cellulare indotto su esseri ibernati. L’ibernazione può essere indotta artificialmente e corrisponde ad una specie di letargo. È stato riscontrato che in esseri viventi ibernati, il danno indotto dalle radiazioni è notevolmente inferiore che nello stato di veglia, probabilmente a causa di una maggiore efficienza del sistema di riparazione cellulare. Lo studio delle radiazioni su sistemi viventi, oltre ad essere una possibilità per le missioni spaziali, ha anche molti altri campi di applicazione nella medicina oncologica.

Finiamo con un accenno ai reattori nucleari di quarta generazione. I nuovi reattori potranno bruciare in modo molto più efficiente e produrre molto meno scorie dei reattori attuali. Un reattore funziona attraverso una reazione di fissione che produce energia e una reazione di cattura neutronica. Il bilancio è molto delicato: se non si assorbono abbastanza neutroni la reazione diventa incontrollata (esplosione, al limite una bomba nucleare se i neutroni non si assorbono per nulla), se ne vengono assorbiti troppi la reazione si spegne. È quindi fondamentale per il funzionamento dei reattori nucleari a fissione (sia quelli odierni che, a maggior ragione i futuri) studiare le reazioni indotte da neutroni, sia la cattura che la fissione, passando per molti altri canali di reazione che alle energie dei nuovi reattori possono aprirsi.

La facility NEPIR produrrà un fascio di neutroni con spettro molto simile a quello dei neutroni presenti sulla terra (fino ad una energia di 70 MeV) e dei fasci quasi monocromatici in energia, variabile con continuità da 25 a 70 MeV. Sarà presente anche una linea diretta di protoni per lo studio delle reazioni indotte da queste particelle