Molybdän (Mo-99) spielt eine wegweisende Rolle bei der Diagnose von Krebs und anderen Krankheiten. Nach einigen Stunden zerfällt das Radioisotop zu Technetium-99m, das in bildgebenden Verfahren verwendet wird, die zur Untersuchung von Millionen von Menschen auf der ganzen Welt jedes Jahr erforderlich sind. Der aktuelle spaltungsbasierte Prozess hat viele Herausforderungen, wie die alternden Reaktoren und die Umweltauswirkungen des Prozesses. Deshalb suchen Forscher nach alternativen Produktionsmethoden. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat die europäische SMART-Kollaboration nun erfolgreich die Herstellung von Mo-99 mit Hilfe des supraleitenden Linearbeschleunigers ELBE getestet.
„Wir haben ELBE an seine Grenzen gebracht und fast eine Woche lang nonstop einen 30-Kilowatt-Strahl hochenergetischer Elektronen auf ein millimetergroßes Target aus Molybdän geschossen“, erklärt Prof. Peter Michel, Leiter von ELBE im Institut für Strahlenphysik des HZDR.
„Damit konnten wir auf kleinstem Raum insgesamt 13 Gigajoule Energie deponieren. Das ist in etwa vergleichbar mit der kinetischen Energie einer voll beladenen Boeing 747-400, die mit einer Höchstgeschwindigkeit von rund 900 Kilometern pro Stunde fliegt.“
Diese extreme Energiedichte ist nötig, um die gewünschte Reaktion auszulösen: „Die am Target erzeugte Bremsstrahlung schlägt jeweils ein Neutron aus den Atomkernen heraus, sodass am Ende das gewünschte Produkt Molybdän-99 übrig bleibt.“
Während das HZDR die notwendige Beschleunigertechnik bereitstellte, war das niederländische Technologieunternehmen Demcon für den Versuchsaufbau verantwortlich. Einer der weltweit größten Produzenten von Mo-99, das Belgian Institute for Radio Elements (IRE), initiierte SMART (Source of MedicAl RadioisoTopes) und entwickelt die Technologie gemeinsam mit dem niederländischen Unternehmen ASML und in Zusammenarbeit mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie.
„Der ELBE-Beschleuniger ist die einzige Forschungsanlage in Europa, die für unser Experiment geeignet war, weil nur hier die Strahlqualität so ist, dass sie stabil bleibt, wenn wir sie über mehrere Tage einsetzen“, sagt Johannes Jobst, Senior Mechatronic System Engineer bei Demcon.
„Ausschlaggebend für unseren Erfolg war aber die sehr gute und vertrauensvolle Zusammenarbeit zwischen den Partnern. Im Falle von ELBE haben wir nicht nur enorm von der einzigartigen Technologie profitiert, sondern auch von der wissenschaftlichen Expertise und dem großen Engagement des ELBE-Teams.“
Komplexer Versuchsaufbau: Kühlung mit flüssigem Natrium
Aufgrund der extremen Bedingungen stellte das Experiment die Forscher vor zahlreiche Herausforderungen und erforderte einen komplexen Versuchsaufbau. So mussten sie beispielsweise die enormen Drücke und möglichen Strahlenschäden in den verwendeten Materialien eindämmen und dafür besondere Schutzmaßnahmen treffen.
Eine weitere Herausforderung: Unter normalen Umständen würde Molybdän unter Bestrahlung schon nach kurzer Zeit verdampfen. Demcon setzte daher eine spezielle Kühltechnologie ein, die auf der hohen Wärmeleitfähigkeit von flüssigem Natrium basiert. Das Metall, das auch als Wärmeträgerflüssigkeit in Kernreaktoren eingesetzt wird, ist aufgrund seines hohen Siedepunktes und der damit möglichen großen Bandbreite an Prozesstemperaturen in der Lage, besonders viel Wärme aufzunehmen.
Dieser Anfang Februar erfolgreich durchgeführte Testlauf ist ein wichtiger Schritt zur Bestätigung der Machbarkeit des Gesamtkonzepts und gibt Zuversicht, dass diese Technologie im größeren industriellen Maßstab eingesetzt werden kann. Die Vorteile des neuartigen Verfahrens liegen auf der Hand: Da als Ausgangsmaterial Molybdän-100 verwendet wird, muss Uran nicht mehr in einem Kernreaktor gespalten werden – das bedeutet weniger radioaktive Abfälle, insbesondere solche mit langer Halbwertszeit. IRE und seine Partner setzen die Entwicklung der vollständigen Installation fort. Die wissenschaftlichen Grundlagen für dieses ambitionierte Vorhaben wurden nun durch das Experiment am ELBE-Beschleuniger bestätigt.