Medische isotopen geproduceerd in reactor met record vermogensdichtheid

De levering van medische isotopen, die doorgaans worden geproduceerd in oude kernreactoren, heeft het laatste decennium diverse problemen gekend. Daardoor lopen kankerpatiënten het risico langer te moeten wachten op diagnostiek of therapie terwijl hun gezondheid verslechtert. Het Smart-project (source of medical radio isotopes) – onder leiding van het Belgische Institute of Radio Elements (IRE) en met technische begeleiding van ASML – ontwikkelt een duurzaam en betrouwbaar alternatief op basis van versnellertechnologie. Een cruciale bijdrage komt van Demcon: het ontwerp van een target dat bestand is tegen de extreme hitte en straling om deze isotopen te kunnen produceren. Daarvoor heeft begin februari een speciaal team met succes de haalbaarheid van koelen met vloeibaar metaal onder deze extreme omstandigheden aangetoond. Het experiment vestigde een wereldrecord voor de hoogste continue vermogensdichtheid, die een door mensen gemaakt object ooit heeft weerstaan. Hiermee heeft het project een cruciale mijlpaal bereikt op weg naar ingebruikname van de Smart-fabriek.

Wereldwijd zijn miljoenen kankerpatiënten afhankelijk van nucleaire geneeskunde, oftewel de toepassing van medische isotopen voor hun behandeling. Medische isotopen zijn kortlevende radioactieve stoffen die worden gebruikt voor diagnostiek (imaging) en therapie (bestraling). Productie van deze isotopen, met uranium als grondstof, vindt plaats in oude kernreactoren die op hun eind lopen. Deze reactoren zijn niet meer betrouwbaar, terwijl de productie juist 24/7 moet doorlopen vanwege de korte halfwaardetijden van de isotopen.

Technetium-99m (99mTc), afkomstig van de moederisotoop 99Mo, is de meest gebruikte isotoop voor diagnostiek in de nucleaire geneeskunde. Een alternatieve productiemethode voor deze isotoop kwam uit onverwachte hoek. ASML verkende afgelopen decennium diverse opties voor extreem ultraviolet-lichtbronnen van de volgende generatie lithografiemachines. Een van de opties (inmiddels afgevallen) was een vrije-elektronenlaser, gebaseerd op elektronenversnellertechnologie. ASML realiseerde zich dat de versneller kon worden gebruikt om 99mTc te produceren. IRE, ’s werelds grootste leverancier van medische isotopen, startte het Smart-project met ASML om dit idee uit te werken tot een commerciële productiefaciliteit. IRE leidt een internationaal samenwerkingsverband van meer dan 25 onderzoeksinstituten en hightechbedrijven, waaronder Demcon. Samen wordt gewerkt aan de duurzame en betrouwbare productie van isotopen met behulp van versnellertechnologie – met behoud van compatibiliteit met de huidige downstream toeleverketen, de zogenaamde generatoren.

Elektronenversneller

In het nieuwe concept wordt 99Mo geproduceerd door het niet-radioactieve molybdeen-100 (100Mo) te bestralen met een intense bundel van versnelde elektronen. In vergelijking tot conventionele productie met kernreactoren vereist dit alternatief geen verrijkt uranium en produceert het nauwelijks langlevend radioactief afval. De huidige elektronenversnellers die op dit gebied worden ingezet, voldoen niet aan de specificaties voor grootschalige productie van 99mTc voor nucleaire geneeskunde. Dat vereist een supergeleidende, krachtige lineaire elektronenversneller. De versneller vuurt hoogenergetische elektronen af op het target bestaande uit 100Mo-verrijkt molybdeen, dat vervolgens wordt omgezet in 99Mo. Na bestraling wordt het target verwerkt en wereldwijd gedistribueerd via de generators. In de ziekenhuizen wordt het 99mTc – dat voor imaging wordt gebruikt – uit deze generatoren geoogst.

Enorme koeling vereist

In opdracht van IRE ontwikkelt Demcon de bestralingseenheid, inclusief het target, en het oogstsysteem. Een van de grootste uitdagingen was het ontwerp van een target dat de extreme warmtebelasting kan overleven die de elektronen injecteren. ‘Om compatibel te zijn met de huidige generatortechnologie moet de initiële activatie hoog genoeg zijn’, verklaart Johannes Jobst, senior mechatronic system engineer bij Demcon. ‘Dit activeringsniveau vereist het focussen van de 3 MW bundel op een target dat niet groter is dan een luciferdoosje. Zonder intense koeling zou het target direct verdampen. Alleen vloeibaar metaal levert voldoende koelvermogen, vanwege een hoge specifieke warmtecapaciteit en -geleidbaarheid. Na onderzoek bleek vloeibaar natrium het beste koelmiddel voor de Smart-fabriek te zijn. Het is echter ontvlambaar en corrosief, waardoor het lastig te hanteren is.’

Succesvolle tests

In theorie en in computersimulaties is natriumkoeling een effectieve koelmethode. ‘De extreme intensiteit van de elektronenbundel brengt de thermomechanische belasting en stralingsschade echter naar de rand van wat de sterkste materialen aankunnen’, zegt Bas Vet, senior mechatronic system engineer bij Demcon. ‘Om te bewijzen dat het target dit kan overleven, hebben we een demonstratiemodel van de Smart-bestralingseenheid gebouwd op een schaal van 1:1000. Omdat de Smart-elektronenversneller nog in ontwikkeling is, is een faciliteit gezocht waar we deze demonstratie konden uitvoeren. Omdat de vermogensdichtheid en overige paramaters overeen moeten komen met de daadwerkelijke condities van de Smart-fabriek, konden maar enkele faciliteiten ter wereld een voldoende intense bundel leveren. Gelukkig was Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf enthousiast om ons toegang te geven tot hun Elbe-elektronenversneller voor het uitvoeren van ons experiment. Begin februari hebben we deze faciliteit gebruikt om ons target 115 uur lang bloot te stellen aan een bundel van 30 kilowatt. Met succes, want ons schaalmodel target heeft de extreme omstandigheden overleefd.’

Wereldrecord

Met de succesvolle test is een wereldrecord gevestigd, claimt Vet. ‘Voor zover wij weten, heeft nog nooit iemand geprobeerd om zoveel continu vermogen per volume-eenheid in een target te injecteren terwijl het intact bleef. Ter vergelijking: we hebben een negen grootteordes hogere vermogensdichtheid in ons target gebracht dan wordt geproduceerd in de zonnekern.’

‘We hebben een fundamentele mijlpaal bereikt in het Smart-project en een van de belangrijkste technische risico’s in onze bijdrage aan het Smart-project overwonnen’, besluit Demcon-projectmanager Ricsi Horvath. ‘Dit is te danken aan de gezamenlijke inspanning van een enorm team dat aan het mini-target heeft gewerkt, onder leiding van IRE en met de technische begeleiding van ASML. De afgelopen twee jaar hebben ruim 150 mensen binnen Demcon, in samenwerking met ruim tien leveranciers in de regio en zes internationale partners bijgedragen aan dit succes. Er liggen nog steeds uitdagingen met betrekking tot stralingsgevoeligheid en -schade, koeling en afscherming, maar nu deze enorme horde is genomen, zien we dit met vertrouwen tegemoet.’