Hoge kosten nekken ASML’s concept om radio-isotopen zonder kernreactoren te produceren

Een concept uit de koker van ASML om zonder kernreactoren radio-isotopen voor medische doeleinden te produceren, is in het zicht van de haven gestrand. Niet omdat het systeem niet werkt, maar omdat de complexiteit en daarmee de kosten uit de hand liepen.

Paul van Gerven

In 2012 zag het er niet rooskleurig uit voor de Europese productie van radio-isotopen. De nucleaire onderzoeksreactoren die deze onmisbare ingrediënten voor de nucleaire geneeskunde produceren, waren dusdanig verouderd dat sluiting dreigde. Of op zijn minst toe waren aan een grondige en tijdrovende renovatie. ‘Er was een reëel gevaar dat er vanaf midden tot eind van de jaren twintig niet genoeg capaciteit meer zou zijn’, zegt Erich Kollegger, ceo van het Institut National des Radioéléments (IRE), een van de twee Europese organisaties die radio-isotopen extraheert uit bestraalde monsters van verrijkt uranium.

Voor een constante aanvoer van radio-isotopen zijn ten minste twee kernreactoren nodig. Omdat het onmogelijk is om een voorraad aan te leggen van een materiaal dat in enkele dagen of weken vervalt, moeten ze elkaar afwisselen. Terwijl de ene reactor stilligt om ‘bij te tanken’ of om kleine onderhoudswerkzaamheden uit te voeren, draait de andere op volle toeren. Momenteel leveren zelfs drie reactoren om beurten ruwe isotopenmengsels aan het IRE. Zo slaagt de Belgische non-profitorganisatie er al jaren in om bijna elke week, 52 weken per jaar, radio-isotopen te leveren aan medische organisaties in de hele wereld. Bijna elke week, want het afgelopen decennium is de levering noodgedwongen enkele malen onderbroken wegens onvoorziene shutdowns.

Geconfronteerd met de mogelijkheid dat de aanvoer van ‘grondstoffen’ stil zou kunnen komen te vallen, ging IRE in 2012 op zoek naar alternatieve technologieën voor de productie van radio-isotopen. Het toeval wilde dat ASML enkele jaren eerder al op zo’n technologie was gestuit. Of om precies te zijn: het onderliggende principe was al tientallen jaren bekend, maar het waren onderzoekers van de Veldhovense machinebouwer die zich realiseerden dat deeltjesversnellers krachtig genoeg waren geworden om radio-isotopen zonder kernreactoren op industriële schaal te produceren.

Het principe is eenvoudig genoeg: bombardeer een isotopisch zuiver materiaal met een deeltjesbundel die zo krachtig is dat er kernreacties in gang worden gezet, resulterend in de productie van de gewenste radio-isotoop. Deze methode heeft inherente voordelen ten opzichte van productie met behulp van kernreactoren: er komt geen verrijkt uranium aan te pas, en daarom kunnen alle bijbehorende veiligheidsvoorschriften overboord worden gegooid. Ook de afvalverwerking wordt sterk vereenvoudigd, omdat er veel minder afval ontstaat dat ook nog eens veel minder radioactief is.

En dus besloot het IRE, met sympathieke steun van ASML, te onderzoeken of het haalbaar is om kernreactoren te omzeilen bij de productie van molybdeen-99 (Mo-99), een precursor van het veruit meestgebruikte radio-isotoop in de nucleaire diagnostiek, technetium-99m (Tc-99m, zie inzet).

Opengeschroefd

De markt voor radio-isotopen is tot op zekere hoogte mondiaal en IRE moet daarop concurreren. De businesscase voor de Lighthouse-technologie, zoals ASML die is gaan noemen, zou daarom alleen levensvatbaar zijn als er voldoende Mo-99 kan worden geproduceerd om IRE’s marktaandeel van 25 procent te handhaven, uiteraard tegen of onder de gangbare prijzen. Dit criterium bleek de belangrijkste drijfveer voor de complexiteit van het systeem: voor een aanvaardbare opbrengst van Mo-99 dient de deeltjesbundel zeer krachtig te zijn en moet al die energie worden geconcentreerd op een relatief klein doelwit, ongeveer zo groot als een luciferdoosje. De businesscase dwingt bovendien tot ontwerp van een systeem dat bijna volcontinu kan draaien: uitgebreid de tijd nemen om de target te vervangen of om onderhoud uit te voeren, is er niet bij.

Een superkrachtige deeltjesbundel op een klein doelwit: dat is nogal een uitdaging om te koelen. ‘U heeft misschien de Star Wars-film gezien waarin een Jedi met zijn lichtzwaard een gat in een stalen deur brandt. Dat is ongeveer de vermogensdichtheid waar we het over hebben: in staat om staal onmiddellijk te smelten’, zegt Johannes Jobst, senior mechatronica-ingenieur bij Demcon, een van de partners in wat uiteindelijk het Smart-project is gaan heten.

Bovendien speelt er radioactiviteit en schadelijke straling. Weliswaar lang niet zoveel als in een kernreactor, maar toch meer dan genoeg dat speciale maatregelen nodig zijn. Niet alleen om mens en omgeving te schermen, maar ook omwille van betrouwbaarheid en onderhoud. Het was van meet af aan duidelijk dat het nooit het soort systeem zou kunnen worden waarbij even een paneel kan worden opengeschroefd om een defect onderdeel te vervangen – dat zou te gevaarlijk zijn.

Alles bij elkaar is dat veel onbekend terrein. Voeg daarbij de aanzienlijke tijdsdruk – tegen 2030 moet een fabriek operationeel zijn die zijn weerga niet kent – en je hebt nogal een systeemengineering-uitdaging omhanden.

Gevaarlijk spul

Het Smart-project ging in 2017 van start en medio 2018 was het basisontwerp klaar voor de verschillende partners om hun tanden in te zetten. Het Duitse Research Instruments werd belast met de bouw van de deeltjesversneller die een elektronenbundel met een vermogen van 3 megawatt produceert – een van de krachtigste in zijn soort ter wereld. Die straal wordt in tweeën gesplitst, zodat een doelwit van twee kanten tegelijk kan worden bestookt. Demcon kreeg de opdracht de target en de bijbehorende houder te ontwerpen, alsmede het systeem om de Mo-99 geheel geautomatiseerd te extraheren. CEA uit Frankrijk werd aangetrokken voor het koelsysteem, dat een koelmedium door gaten in de target laat stromen – in direct contact met het molybdeen dus.

‘Oorspronkelijk wilden we de target koelen met gecomprimeerd helium. Als edelgas reageert helium niet met molybdeen en de elektronenbundel heeft er ook geen invloed op. Helaas bleek de koelcapaciteit van helium zelfs bij hoge druk en hoge stromingsdichtheid onvoldoende. Daarom moesten we overstappen op vloeibaar metaal als koelmedium. We kozen uiteindelijk voor vloeibaar natrium, omdat dat al eerder in een kernreactor is gebruikt,’ zegt Kollegger. Die inmiddels ontmantelde reactor werd geëxploiteerd door CEA, en deze organisatie is dan ook een van de weinige ter wereld met de vereiste expertise.

Natrium is gevaarlijk spul. Het reageert explosief op zuurstof en water uit de atmosfeer, dus pijpen vol met het gloeiendhete goedje leveren de nodige veiligheidsuitdagingen op. Maar dat bleek niet de enige zorg. Kollegger: ‘Een gesloten koelsysteem is simpel genoeg: een pomp, leidingen, een systeem om efficiënt warmte aan target te onttrekken, en een warmtewisselaar om het medium weer af te koelen. Met natrium moesten we veel meer rekening houden vanwege de fysische en chemische eigenschappen van natrium. Het leidingnet werd veel langer en complexer dan verwacht. Er is bijvoorbeeld een groot hoogteverschil in het systeem nodig om cavitatie in de target te voorkomen.’ Bij cavitatie ontstaan door drukschommelingen in een vloeistof kleine belletjes, die door implosie schokgolven genereren die apparatuur kunnen beschadigen.

Het uiteindelijke ontwerp van de Mo-99-fabriek kende drie verdiepingen. Het middelste niveau is zo groot als een voetbalveld en huisvest de versneller en de belichtingsmodule. Natrium wordt van een verdieping lager omhoog gepompt en stroomt na de koelactie terug naar een warmtewisselaar. Boven, op de begane grond, bevindt zich de oogstinstallatie, waar het Mo-99 wordt geëxtraheerd en de houder wordt gevuld met verse Mo-100. Alle benodigde handelingen alsmede het transport van de target tussen de verschillende stations zijn geautomatiseerd.

Rigide

IRE, Research Instruments, Demcon, CEA en een team belast met het ontwerp van de huisvesting van systeem, waren de belangrijkste partners in het project. Allen werkten weer samen met een eigen netwerk van partners en leveranciers. Ook ASML was betrokken en een handvol wetenschappers en andere specialisten van over de hele wereld. Bij elkaar heel wat mensen die moeten samenwerken aan een systeemontwerp dat steeds verandert naarmate het project vordert en er nieuwe inzichten ontstaan en/of nieuwe data beschikbaar komen.

‘Elke partner doorloopt herhaaldelijk een cyclus van requirements, analyse & ontwerp, test & verificatie, technische evaluatie en kostenevaluatie. Gezien de tijdsdruk moeten deze fasen vaak gelijktijdig verlopen. Rekening houdend met de doorlooptijd moet je bijvoorbeeld beginnen met het bestellen van componenten om haalbaarheidsstudies uit te voeren nog voordat de analyse van het volledige ontwerp is afgerond. Op een bepaald moment moet je ervan uitgaan dat je ontwerp goed genoeg is, terwijl je heel goed weet dat er waarschijnlijk nog wijzigingen nodig zijn. In het ergste geval moet je zelfs helemaal opnieuw beginnen. Ook zullen veel requirements pas worden ontdekt tijdens het proces, of ze kunnen veranderen zodra de haalbaarheidsstudies zijn afgerond’, zegt Jobst.

In concurrent engineering is zoeken naar balans tussen ontwikkelingssnelheid enerzijds en het voorkomen dat ergens meer tijd en moeite aan wordt besteed dan noodzakelijk is. Dit wordt nog bemoeilijkt door het feit dat verschillende engineeringteams zich over verschillende delen van systeem ontfermen, maar deze delen niet op zichzelf delen. ‘Verschillende subsystemen werken op verschillende niveaus op elkaar in. Veranderingen in het ene onderdeel hebben vaak invloed zijn op ontwerpbeslissingen in een ander onderdeel’, voegt Jobst toe.

‘Dit is een lastige situatie, waarin elk team een duidelijke scope nodig heeft, maar ook weer niet moet vervallen in een ‘niet-mijn-probleem’-mentaliteit: teams moeten niet alleen verantwoordelijkheid nemen voor hun onderdeel, maar voor het ontwerp en de optimalisatie van het hele systeem. Dit vereist veel flexibiliteit en samenwerking tussen de teams. Gezien het iteratieve engineeringproces heb je specificaties nodig die glashelder zijn, maar ook niet al te rigide moeten worden beschouwd.’

Niet levensvatbaar

Begin februari 2022, vier jaar na het opstellen van het eerste basisontwerp, had het Smart-project iets te vieren. Een prototype target overleefde bijna een week lang een bombardement van 30 kilowatt in het Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Hoewel de componenten ongeveer duizend keer kleiner waren uitgevoerd dan de bedoeling is in het uiteindelijke systeem, was de vermogensdichtheid precies hetzelfde. ‘Het spreekt voor zich dat we erg blij waren met dit proof of principle’, zegt Jobst.

Helaas pakte het kostenplaatje minder gunstig uit. ‘De technologie bleek veel complexer dan we aanvankelijk dachten, vooral vanwege het vloeibare-natriumkoelsysteem. Dit betekende dat de vereiste investering drastisch toenam’, legt Kollegger uit. Op zich zou dit geen showstopper zijn geweest als Europa’s reactorarsenaal nog steeds in gevaar was. Maar inmiddels was de bouw van een nieuwe reactor in Frankrijk begonnen en zouden enkele andere reactoren toch in bedrijf blijven. ‘Inmiddels hebben we weer vertrouwen in de Europese reactorsituatie’, zegt Kolleger.

IRE wilde desalniettemin de technologie op de rails zetten, maar dat bleek tegen de verwachte marktprijs van Mo-99 niet rendabel. ‘De businesscase was niet levensvatbaar meer.’ Zo is een opmerkelijk stukje techniek op de lange baan geschoven, althans voorlopig. ‘Zolang er onderzoeksreactoren in bedrijf zijn, denk ik niet dat de ontwikkeling van de Lighthouse-technologie nieuw leven wordt ingeblazen’, concludeert Kollegger.