Die Nuklearmedizin nutzt Technetium-99m unter anderem zur Tumordiagnostik. Mit über 30 Millionen Anwendungen weltweit pro Jahr ist es das am weitesten verbreitete Radioisotop. Das Ausgangsmaterial Molybdän-99 wird hauptsächlich in Forschungsreaktoren hergestellt. Eine Studie an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München (TUM) zeigt nun Möglichkeiten auf, den bei der Verarbeitung zu einem Medizinprodukt entstehenden radioaktiven Abfall deutlich zu reduzieren.
Über 85 Prozent aller nuklearmedizinischen Diagnostikuntersuchungen verwenden Technetium-99m (Tc-99m). Allein in Deutschland werden jährlich mehr als 3 Millionen Dosen eingesetzt. Gekoppelt an geeignete organische Moleküle verteilt sich Technetium über das Blut im ganzen Körper und reichert sich beispielsweise in Tumoren an. Wenn es dort zerfällt, verrät die freigesetzte Strahlung den genauen Ort des Tumors.
Technetium-99m wird hergestellt, indem Uranplatten, sogenannte Targets, mit einem hohen Neutronenfluss bestrahlt werden, der praktisch nur in Forschungsreaktoren vorhanden ist. Dabei entsteht zunächst ausgehend von Uran-235 Molybdän-99 (Mo-99), das mit einer Halbwertszeit von 66 Stunden zu Tc-99m zerfällt. Letzteres wandelt sich mit einer Halbwertszeit von sechs Stunden in Tc-99 um und sendet messbare Gammastrahlung aus.
Mehr Abfall aus schwach angereichertem Uran
Der politische Vorstoß, hoch angereichertes Uran durch niedrig angereichertes Uran zu ersetzen, gilt auch für Targets, die im medizinischen Bereich verwendet werden. Deshalb ist die derzeit im Bau befindliche Mo-99-Bestrahlungsanlage am FRM II auf Targets mit schwach angereichertem Uran ausgelegt.
„Dabei ergibt sich jedoch ein gravierendes Problem: Je weniger die Uranplatten mit Uran-235 angereichert sind, desto geringer ist die spezifische Ausbeute an Mo-99 bei der Bestrahlung“, sagt Dr. Tobias Chemnitz, Instrumentenwissenschaftler an der Medizinischen Bestrahlungsanlage MEDAPP am FRM II.
Um den weltweiten Bedarf an Tc-99m zu decken, müssen je nach eingesetzter Technologie mindestens doppelt so viele Uranplatten bestrahlt und bearbeitet werden. Dadurch entstehen entsprechend höhere Abfallmengen. Dieser Problematik widmete sich Chemnitz in seiner Doktorarbeit an der Technischen Universität München.
Neues Verfahren vermeidet bis zu 15.000 Liter flüssigen radioaktiven Abfall
Die abschließend bestrahlten Platten enthalten nur etwa 0,1 Prozent Mo-99. Um eine für medizinische Anwendungen ausreichende Reinheit zu gewährleisten, muss das Mo-99 sorgfältig vom restlichen Material getrennt werden.
Derzeit sind zwei Standardverfahren im Einsatz, die jeweils auf einem sauren und einem alkalischen Verfahren basieren. Bei der alkalischen Variante wird zunächst das gesamte Target mit Natronlauge behandelt. Dabei wird bevorzugt Mo-99 gelöst, während das Uran in dieser Lösung unlöslich ist und als Feststoff zurückbleibt. Die restlichen Spaltprodukte werden dann in einem aufwendigen chemischen Trennverfahren von der wässrigen Lösung getrennt.
Da hochangereicherte Targets durch schwach angereicherte Targets ersetzt wurden, verdoppelt sich bei gleicher Molybdänausbeute der anfallende wässrige, mittelradioaktive Abfall auf ein jährliches Volumen von bis zu 15.000 Litern weltweit – der zudem für die Endlagerung zementiert werden muss , so dass am Ende jedes Jahr radioaktive Abfälle mit einem Volumen von 375.000 Litern anfallen.
Die Lösung: Weg mit dem Wasser
Um dieses Problem zu lindern, entwickelten Chemnitz und seine Kollegin Riane Stene eine neue Methode zur Extraktion von Mo-99 ohne den Einsatz von wässriger Chemie.
In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Fluorchemie der Philipps-Universität Marburg entwickelten die Forscher ein System, bei dem die Uran-Molybdän-Testplatten in einem Plasma mit Stickstofftrifluorid reagieren. Diese Platten hatten den gleichen Molybdängehalt, wie er später in tatsächlich bestrahlten Targets vorhanden sein würde.
Schließlich trennten sie über eine lichtgesteuerte Reaktion das überschüssige Uran vom Molybdän. Die Trennung der beiden Elemente auf diese Weise ist genauso effizient wie die Natriumhydroxidbehandlung, die im ersten Schritt des herkömmlichen Wiederaufbereitungsverfahrens durchgeführt wird – mit der bemerkenswerten Ausnahme, dass sie keinen wässrigen Abfall produziert.
Nur sechs große Forschungsreaktoren produzieren Molybdän-99
„Derzeit produzieren sechs große Bestrahlungsanlagen weltweit Mo-99. Von diesen Forschungsreaktoren sind vier über 40 Jahre alt, was zu unvorhergesehenen Reparaturen und damit verbundenen Abschaltungen führt – wie es in der jüngeren Vergangenheit bereits geschehen ist. Deshalb sind wir stolz darauf.“ der FRM II zusammen mit dem französischen Jules-Horowitz-Reaktor zukünftig den europäischen Bedarf an Mo-99 sichern kann“, sagt Tobias Chemnitz.
Die TUM hat das Verfahren zum Patent angemeldet. Unabhängig davon, dass noch weitere Entwicklungsarbeit erforderlich ist, ist Chemnitz zuversichtlich, dass dieser neuartige Ansatz mittelfristig eine tragfähige Alternative zu etablierten Verfahren darstellen wird.
Die Forschung ist veröffentlicht in Zeitschrift für Fluorchemie.
Riane E. Stene et al, Reduktive photochemische Trennung der Hexafluoride von Uran und Molybdän, Zeitschrift für Fluorchemie (2020). DOI: 10.1016/j.jfluchem.2020.109655