Een nieuwe productiemethode voor medische isotopen is een flinke stap dichterbij gekomen. Demcon, ASML en het Belgische IRE hebben succesvol proeven uitgevoerd waarbij de gewenste radioactieve isotopen gecreëerd worden. De hierbij cruciale koeling met vloeibaar natrium blijkt goed te werken.

 

De ster van de show is hierbij het target van molybdeen-100, dat door beschieting met snelle elektronen omgezet moet worden in de gewenste medische radio-isotopen. Dat target (te zien op de foto boven dit artikel: het zwarte gat tussen alle beschermende blauwe blokken) wist in experimenten een ongekend intense bundel elektronen te weerstaan. Technici van Demcon hadden hiervoor een speciale koeling ontworpen op basis van een continue stroom vloeibaar natrium.

‘Om voldoende van de gewenste isotopen te kunnen produceren, is het nodig om de elektronenbundel sterk te focusseren op het targetmateriaal’, vertelt Bas Vet, senior mechatronic system engineer bij Demcon. ‘De energiedichtheid is zo hoog, dat je het geheel extreem hard moet koelen, want anders zou de vaste stof in een oogwenk verdampen.’
 

Kanker en hart- en vaatziekten

Maar vanwaar deze gewelddadige beschieting van een stuk molybdeen?

Dat zit zo. In ziekenhuizen gebruiken ze de radioactieve stof molybdeen-99 bij het stellen van een diagnose bij kanker of hart- en vaatziekten. Preciezer: dat doen ze met het technetium-99 waar het molybdeen in vervalt. Dat wordt ingespoten bij een patiënt om een deel van een orgaan heel precies af te beelden. Het spul zendt gammastraling uit, die makkelijk waar te nemen is.
 

Zo worden de medische radio-isotopen nu gemaakt en vinden ze hun weg naar de ziekenhuizen. Klik op de figuur voor een vergroting.

 

Oude kerncentrales

Het molybdeen-99 wordt geproduceerd in oude kerncentrales, die vaak tegen het einde van hun levensduur aan hikken, vertelt project director Veerle Van de Steen van IRE. ‘Normaal gesproken zijn er geen tekorten aan deze materialen, maar nu is het wat meer kritisch doordat bijvoorbeeld de reactor in Petten uit staat.’

Er is dus behoefte aan andere manieren om het radioactieve molybdeen-99 voor ziekenhuizen te maken. Een paar jaar geleden ontdekte ASML, als bijvangst bij een eigen project, een manier om de isotopen te produceren.
 

Gammastraling

Dat werkt als volgt. Een bundel hoogenergetische elektronen wordt op een blokje van het stabiele molybdeen-100 geschoten. Doordat de elektronen afremmen komt gammastraling vrij, die bij de molybdeen-100-atomen een neutron losmaakt. Die veranderen daardoor in molybdeen-99-atomen, de gewenste isotoop.
 

Ziekenhuizen zullen geen verschil merken

IRE ging met de kennis van ASML aan de slag en betrok Demcon bij het SMART-project (Source of MedicAl RadioisoTopes). Het toekomstbeeld is dat een bedrijf als IRE met behulp van een krachtige elektronenversneller op deze manier (vloeibaar) molybdeen-99 produceert voor ziekenhuizen, ter vervanging van de productie van het spul in kernreactoren. ‘We streven ernaar dat de gebruikers, de ziekenhuizen, geen verschil merken. Die zijn gewend aan hun manier van werken en dat zal zo blijven’, aldus Van de Steen.
 


Testen van target

Maar voor het zover is, moeten er nog een aantal forse technische hobbels worden genomen. Een grote is begin deze maand genomen, met het testen van een target van molybdeen-100 dat speciaal is ontworpen door ingenieurs van technologiebedrijf Demcon.
 

Luciferdoosje

Dit was de uitdaging: om voldoende van de gewenste isotoop te produceren, moest de elektronenbundel met een vermogen van 3 megawatt worden gefocust op een oppervlakte ter grootte van een luciferdoosje – het target – zonder dat het molybdeen-100 in rook opging. De opgave voor Demcon was dus om een systeem te ontwerpen dat dit target extreem hard kan koelen.

‘Water viel meteen al af als koelmiddel, omdat het target temperaturen bereikt tussen de tweehonderd en zeshonderd graden Celsius, dus water zou verdampen’, vertelt Vet. ‘We hebben nog even onderzocht of we konden koelen met een gas, maar dat bleek niet geschikt om voldoende snel genoeg warmte af te voeren. Zo kwamen we uit op vloeibaar natrium om mee te koelen.’
 

Goed warmte afvoeren

Vloeibare metalen hebben als pluspunt dat ze een hoge specifieke warmte hebben en dus goed zijn in het afvoeren van veel warmte. ‘We kwamen uit bij natrium mede omdat het ook al in andere nucleaire toepassingen wordt gebruikt’, aldus Vet.

Het gebruik van vloeibaar natrium bracht echter ook een lijstje forse technische uitdagingen met zich mee. Om te beginnen: het reageert agressief als het met water in aanraking komt. Vet: ‘We hebben daarom alle onderdelen dubbel geïsoleerd uitgevoerd.’
 

Speciale staallegeringen

Verder is natrium corrosief, en lossen sommige metalen zelfs op in vloeibaar natrium. Dus de gebruikte materialen voor leidingen en afdichtingen moesten zorgvuldig worden gekozen. ‘Ik kan niet alle details geven, maar speciale staallegeringen blijken goed bestand tegen natrium’, zegt Vet.
 

Vijf dagen lang

In simulaties bleek het ontwerp van Demcon, in combinatie met vloeibaar natrium als koelmiddel, goed te werken. Maar the proof of the pudding is in the eating. Groot was de opluchting dan ook toen experimenten in een gespecialiseerde onderzoeksfaciliteit in Duitsland aantoonden dat het target vijf dagen lang (ongeveer de tijdsduur nodig voor het produceren van molybdeen-99) bestookt kon worden door de elektronenbundel zonder kapot te gaan.

 

Testopstelling voor het SMART-project bij het Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf, waar het target van molybdeen-100 vijf dagen lang een bombardement van elektronen onderging.

 

Schaalmodel

‘Ik ben trots op dit resultaat. Het door ons ontworpen target blijkt bestand tegen een extreem deeltjesbombardement’, zegt Vet. De proeven zijn gedaan aan een schaalmodel (maar wel met de werkelijke warmtedichtheid) van het target en de volgende stap is dan ook om het ontwerp op te schalen.

De betrokkenen van Demcon en IRE hebben goede hoop dat er in 2028 een fabriek kan staan waar radio-isotopen voor ziekenhuizen wereldwijd kunnen worden geproduceerd. Van de Steen: ‘Het is mooi dat we hebben kunnen aantonen dat een cruciale stap in het proces werkt. Dat geeft een boost in het vertrouwen van het projectteam op een goede afloop.’


Beeldmateriaal Demcon / IRE