25.02.2022 • MedizinphysikKernphysikBeschleuniger

Medizinische Radioisotope bei extremer Energiedichte erzeugen

Kooperation erreicht Meilenstein mit erfolgreichem Beschleuniger-Experiment.

Für die Diagnose von Krebs und anderen Erkrankungen spielt Molybdän-99 eine entscheidende Rolle. Das Radioisotop zerfällt nach einigen Stunden zu Technetium-99m, das in Bild­gebungs­verfahren zum Einsatz kommt, mit denen jährlich viele Millionen Menschen weltweit untersucht werden. Jedoch birgt das gegen­wärtige, auf Kernspaltung basierende Herstellungs­verfahren Probleme, wie etwa alternde Reaktoren und Umwelt­belastungen. Forscher suchen deshalb nach Alternativen für die Produktion. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ist es nun der europäischen SMART-Kooperation gelungen, die Erzeugung von Mo-99 mithilfe des supra­leitenden Linear­beschleunigers ELBE erfolgreich zu testen.

Abb.: Mit diesem Haupt­modul der Strah­lungs­quelle ELBE kön­nen...
Abb.: Mit diesem Haupt­modul der Strah­lungs­quelle ELBE kön­nen Wissen­schaft­ler Elek­tro­nen auf nahe­zu Licht­ge­schwin­dig­keit beschleunigen. Im Ex­pe­ri­ment von SMART treffen die Elek­tro­nen auf ein win­ziges Molyb­dän-Target. Es ent­steht elek­tro­mag­ne­tische Brems­strah­lung, die aus den Atom­kernen je ein Neu­tron heraus­schlägt, so­dass das Radio­iso­top Mo-99 als Pro­dukt übrig­bleibt. (Bild: J. Jeib­mann, HZDR)

„Wir haben ELBE an seine Leistungs­grenze gebracht und ein milli­meter­kleines Target bestehend aus Molybdän fast eine Woche lang nonstop mit einem 30-Kilowatt-Strahl aus hoch­energe­tischen Elektronen beschossen“, erklärt ELBE-Leiter Peter Michel. „So konnten wir eine Energie von insgesamt 13 Gigajoule in einem winzigen Volumen deponieren.“ Diese extreme Energiedichte ist notwendig, um die gewünschte Reaktion hervor­zu­rufen. Am Target entsteht elektro­magnetische Bremsstrahlung, die pro Atomkern je ein Neutron herausschlägt, sodass am Ende das gewünschte Produkt Molybdän-99 übrigbleibt.

Während das HZDR die nötige Beschleuniger-Technologie zur Verfügung stellte, war das nieder­ländische Technologie-Unternehmen Demcon beim experi­men­tellen Aufbau feder­führend. Initiator der SMART-Kooperation ist das belgische Institut für Radio­elemente IRE — einer der weltweit größten Produzenten von Mo-99. IRE entwickelt die Technologie gemeinsam mit dem Halbleiter-Konzern ASML und in Zusammen­arbeit mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie.

„Der ELBE-Beschleuniger ist die einzige Forschungs­anlage in Europa, die für unser Experiment infrage kam, weil wir nur hier eine ausreichend hohe Strahl­qualität vorgefunden haben, die wir auch über mehrere Tage hinweg stabil abrufen können“, sagt Johannes Jobst von Demcon. „In Bezug auf ELBE haben wir nicht nur von der einzig­artigen Technik, sondern auch vom wissen­schaftlichen Knowhow und dem großen Engagement des ELBE-Teams enorm profitiert.“

Aufgrund der extremen Bedingungen war das Experiment für die Forscher mit zahlreichen Heraus­forderungen und der Zusammen­stellung eines komplexen Versuchs­aufbaus verbunden. So mussten sie etwa die starken Belastungen und möglichen Strahlungs­schäden in den verwendeten Materialien in Schach halten und dafür besondere Sicherheits­vorkehrungen treffen. Ein weiteres Problem: Unter normalen Umständen würde das Molybdän durch die Bestrahlung nach nur kurzer Zeit verdampfen. Als zentrales Element des Versuchs setzte Demcon deshalb eine spezielle Kühltechnik ein, die auf der hohen Wärme­leit­fähigkeit von flüssigem Natrium basiert. Das auch in Kern­reaktoren als Wärme­über­tragungs-Flüssigkeit verwendete Metall ist aufgrund seines hohen Siedepunktes und dem dadurch ermöglichten weiten Bereich der Prozess­temperaturen zudem in der Lage, besonders viel Hitze auf­zu­nehmen.

Der Testlauf, der Anfang Februar erfolgreich durch­ge­führt wurde, ist für das SMART-Projekt ein wichtiger Schritt, um die Machbarkeit des gesamten Konzeptes zu bestätigen und gibt Hoffnung, dass die Technologie in einem größeren industriellen Maßstab eingesetzt werden kann. Die Vorteile der neuartigen Methode liegen auf der Hand: Weil Molybdän-100 als Ausgangs­material zum Einsatz kommt, muss anders als in Kern­reaktoren kein schweres Uran mehr gespalten werden. Somit würden auch viel weniger radioaktive Abfälle entstehen – vor allem kaum solche mit einer langen Halb­werts­zeit. IRE und die Projektpartner arbeiten weiter an der Entwicklung einer voll­ständigen Anlage. Das wissen­schaft­liche Fundament für dieses ambitio­nierte Vorhaben hat das Experiment am ELBE-Beschleuniger nun gelegt.

HZDR / RK

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