Achtergrond

Belgen gaan isotopenvinding van ASML realiseren

Patrick Marx | donderdag 2 januari 2020
Life Sciences, Onderzoek & R&D

Het is een droom die langzaam maar zeker werkelijkheid wordt: radioactieve medische isotopen maken van niet-radioactieve grondstoffen zonder zwaar radioactief afval te produceren. Een door ASML in Veldhoven bedachte elektronenversneller gaat door het Belgische Lighthouse Isotopes gebruikt worden om de medische isotoop molybdeen-99 (99Mo) te maken. 

99Mo is de grondstof voor Technetium-99m (99mTc), een radioactief isotoop dat in ziekenhuizen gebruikt wordt voor het maken van lichaamsscans, bijvoorbeeld voor de diagnose van kanker. Het Belgische Instituut voor Radio Elementen (IRE) bij Charleroi is met 25-30% wereldmarktleider voor de productie van 99Mo. Het zoekt een moderne oplossing om haar uit de jaren 70 stammende faciliteiten voor de productie van molybdeen-99 of 99Mo te vervangen. Daar wordt nu nog hoogverrijkt uranium uit kerncentrales voor gebruikt.

IRE’s zoektocht naar een alternatieve productiemethode is ingegeven door de maatschappelijke kritiek op hoog radioactief afval en politieke afspraken daarover. Bovendien is sterk verrijkt uranium ook nog eens duur. Dit was aanleiding voor een studie naar alternatieven. ‘Tijdens een studie naar alternatieven kwamen we op het spoor van een Canadese productietechniek met elektronenversnellers. Deze versnellers hebben onvoldoende vermogen voor onze productievolumes. Echter, toen we hoorden dat de elektronenversneller van ASML wel voldoende vermogen heeft, namen we contact met hen op,’ zegt Veerle Van de Steen, projectleider bij IRE. Al snel ontstond zo het samenwerkingsverband Lighthouse Isotopes om een elektronenversneller voor de productie van medische isotopen te bouwen.

Patrick de Jager, Director New Business ASML, heeft aan een elektronenversneller als onderdeel van chipmachines gewerkt. De versneller is een mogelijk toekomstige bron van extreem UV-licht waarmee ASML details tot 7 nm op silicium kan etsen. Waar de concurrerende versnellers elektronen leveren met een stroomsterkte van tienden van een milliampère (mA), levert de versneller van ASML elektronen met een factor honderd grotere stroomsterkte, genoeg voor de productie van 99Mo.

Elektronen als schommelend kind

De Jager vergelijkt de elektronenversneller het liefst met een ouder die zijn schommelende kind op het juiste moment een zetje geeft zodat het steeds hoger en sneller gaat. ‘We versnellen wolkjes elektronen stap voor stap. De elektronen reizen door een vacuüm buis die omsloten wordt door enkele donutvormige, holle structuren (‘cavities’). In elk van deze cavities schakelen we een elektrisch veld in, precies op het moment dat de elektronen door de donut vliegen; ze krijgen dan een duwtje in de rug. Dat gebeurt in elke holte opnieuw. Uiteindelijk krijgen de elektronen een vermogen van enkele MW mee.’

Dit grote vermogen leidt onherroepelijk tot problemen, vertelt de Jager: ‘Traditionele elektronenversnellers werken met koperen cavities. Door het elektrische veld daarbinnen gaat er een stroom door het koper lopen. In onze versneller is deze stroom zo groot dat het koper smelt. Daarom maken we ze van supergeleidend niobium. Elke sectie van de versneller zit in een vat met vloeibaar helium. Dankzij de supergeleiding loopt de stroom zonder weerstand en zonder energieverlies door het niobium.’ Overigens, de elektronenversneller van ASML is geen kleine jongen. De installatie past net in een hal met de afmetingen van een voetbalveld.

Bremsstrahlung als uitgangspunt

Hoe maak je nu 99Mo met een elektronenversneller? Het uitgangsmateriaal voor het 99Mo is het niet radioactieve, stabiele 100Mo. Urenco in Almelo haalt dit uit natuurlijk molybdeen dat voor ongeveer 10% uit het isotoop 100Mo bestaat. De Jager: ‘Met de versneller bestralen we een target met de afmetingen van een klein koffiekopje. De elektronen zullen in de eerste paar millimeter van het target afremmen en hun energie afstaan. Een deel van deze bewegingsenergie komt vrij als gammastraling (dit natuurkundige fenomeen heet Bremsstrahlung ofwel remstraling, red). Die gammafotonen reizen door het molybdeen tot ze een atoomkern raken en daar één neutron uit de kern tikken. Het stabiele 100Mo verandert in radioactief 99Mo. Door de elektronen precies genoeg energie te geven, zorgen we ervoor dat we alleen een neutron uit de kern tikken en er niet nog allerlei andere kernreacties plaatsvinden.’

Het bestralen van het 100Mo target gaat zolang door tot er een evenwicht bereikt is tussen de vorming van 99Mo en het natuurlijke verval ervan tot 99mTc. Doorgaans duurt dit, onafhankelijk van de gebruikte bestralingstechniek, 7-8 dagen. Tegen die tijd is een fractie van een procent van het 100Mo omgezet in 99Mo, dat is echter voldoende voor het gebruik ervan in het ziekenhuis.

Een belangrijke bottleneck in dit proces is de beheersing van de vrijkomende warmte in het target. De Jager: ‘We stoppen er enkele megawatts vermogen in dat uiteindelijk allemaal in warmte omgezet wordt. Het target wordt loeiheet en smelt. Dit is een puur thermisch probleem. Gelukkig heeft ASML een speciale afdeling voor het aanpakken van thermische vraagstukken. Deze loste het probleem op met de keuze voor een poreuze samenstelling van het 100Mo target en het onder hoge druk koelen met heliumgas.’

Van papier naar praktijk

De hierboven beschreven techniek bestaat vooralsnog alleen op papier. Wel heeft ASML simulaties en enkele proeven bij wetenschappelijke elektronenversnellers zoals die bij DESY in Duitsland gedaan. Het Belgische IRE toont dus behoorlijk wat lef door €150 miljoen te investeren in de bouw van de eerste installatie. ‘Die eerste installatie wordt zijn eigen prototype’, zegt Veerle Van de Steen. ‘We zullen nog zo’n 20 maanden nodig hebben voor de voorbereiding van de bouw van de eerste productielijn. Deze moet in 2023 klaar zijn en vanaf 2024 99Mo produceren. Om voldoende 99Mo voor de wereldmarkt te produceren, bouwen we daarna een 2e productielijn, geperfectioneerd met de kennis van de eerste lijn.’

De elektronenversneller van Lighthouse Isotopes kan meer dan alleen 99Mo maken. De Jager: ‘In theorie kunnen we drie soorten kernreacties uitvoeren: kernsplitsing, foto-nucleaire reacties en neutron capture reacties. De eerste, kernsplitsing, streven we fundamenteel niet na, want de splitsing levert veel radioactief afval. De fotonucleaire reactie, waarbij de Bremsstrahlung neutronen uit de atoomkern tikt, gebruiken we als eerste voor de productie van 99Mo. Bij die productie ontstaan dus vrije neutronen die we op hun beurt kunnen gebruiken voor de neutron capture reacties waarbij de atoomkern een neutron invangt. In eerste instantie richten we ons alleen op de productie van 99Mo omdat daar de grootste markt voor is. Maar, we zullen de andere opties zeker gaan verkennen.’

‘Hollandse zuinigheid en kapende Belgen’, was de tendens van menige krantenkop toen vorig jaar de samenwerking tussen ASML en IRE bekend werd. Nadat ASML zijn vinding in 2016 wereldkundig maakte, kreeg het de status van nationaal icoon. De Jager: ‘We vroegen in eerste instantie Nederlandse partijen om met ons in zee te gaan, maar ze hadden gewoon geen interesse en lijken in te zetten op een nieuwe kernreactor. Onze techniek is nieuw en moet zich nog bewijzen, maar daar staat tegenover dat je de uitdagingen van een nieuwe kernreactor kent, zoals het afval, het uranium en de kosten. In België denken ze hier anders over, ze hebben wel interesse en ik ben blij dat IRE de elektronenversneller samen met ons vorm wil geven.’ Van de Steen voegt toe: ‘We geloven in het concept en zijn ervan overtuigd dat het tot iets gaat leiden.’

Isotopen uit de kernreactor

Vandaag de dag is een keten aan nucleaire bedrijven in de weer met de productie van 99Mo voor medische toepassingen. De grondstof voor het molybdeen is uranium, 235U om precies te zijn. Die keten begint vaak nog bij de verrijking van uranium 235U tot een concentratie die geschikt is voor de productie van kernwapens. Begrijpelijkerwijs is het productieproces van 99Mo dus omgeven met zeer strenge en dure veiligheidsmaatregelen. Een Frans bedrijf verwerkt het uranium tussen twee aluminium stroken tot een geheel met het formaat van een balpen. Dit uranium target wordt vervolgens in een kernreactor, zoals die in Petten, bestraald met neutronen uit de reactorkern. 235U splitst waarbij 99Mo, samen met een 300 tal andere isotopen ontstaat. NRG in Petten is wereldmarktleider voor de bestraling van de uranium targets.

IRE lost het bestraalde uranium vervolgens op en isoleert met een scala een chemische en fysische scheidingstechnieken het 99Mo uit de ‘uranium en isotopen soep’. De rest, meer dan 98% van het target, eindigt als nucleair afval. Het gezuiverde 99Mo wordt door een farmaceutisch bedrijf in een generator verpakt. Tijdens het verval van het 99Mo ontstaat in de generator het radioactieve technetium-99m. Het is deze stof die de patiënt in een ziekenhuis ingespoten krijgt voor het maken van bijvoorbeeld een diagnostische scan. Na de productie van 99Mo blijft langlevend en zwaar radioactief afval achter dat bestaat uit onder meer verrijkt 235U.

 

Ontvang de nieuwsbrief, binnenkort 2 keer per week

Meld je nu aan!

Gratis proefabonnement TW

Bestel nu 2 gratis proefnummers TW