Nuklearmedicin använder bland annat teknetium-99m för tumördiagnostik. Med över 30 miljoner applikationer över hela världen varje år är det den mest använda radioisotopen. Prekursormaterialet, molybden-99, produceras huvudsakligen i forskningsreaktorer. En studie vid Heinz Maier-Leibnitz Research Neutron Source (FRM II) vid Tekniska universitetet i München (TUM) visar nu alternativ för att avsevärt minska det radioaktiva avfallet som produceras under bearbetning till en medicinsk produkt.

Över 85 procent av alla nuklearmedicinska diagnostiska undersökningar använder teknetium-99m (Tc-99m). Bara i Tyskland sätts mer än 3 miljoner doser ut varje år. Kopplat till lämpliga organiska molekyler distribueras teknetium i hela kroppen via blodet och ansamlas till exempel i tumörer. När den sönderfaller där avslöjar den frigjorda strålningen den exakta platsen för tumören.

Teknetium-99m framställs genom att bestråla uranplattor, så kallade mål, med ett högt neutronflöde som praktiskt taget bara finns tillgängligt vid forskningsreaktorer. Till en början, med utgångspunkt från uran-235, producerar detta molybden-99 (Mo-99), som sönderfaller till Tc-99m med en halveringstid på 66 timmar. Med en halveringstid på sex timmar omvandlas den senare till Tc-99 och avger gammastrålning som kan mätas.

Mer avfall från låganrikat uran

Den politiska insatsen för att ersätta höganrikat uran med låganrikat uran gäller även mål som används inom det medicinska området. Det är därför den Mo-99-bestrålningsanläggning som för närvarande är under uppbyggnad vid FRM II är designad för mål med låganrikat uran.

"Detta ger dock upphov till ett allvarligt problem:ju mindre uranplattorna är anrikade med uran-235, desto lägre är det specifika utbytet av Mo-99 under bestrålning", säger Dr. Tobias Chemnitz, instrumentforskare vid MEDAPP medicinska bestrålningsanläggning på FRM II.

För att möta den globala efterfrågan på Tc-99m måste minst dubbelt så många uranplattor bestrålas och bearbetas, beroende på vilken teknik som används. Detta ger motsvarande större mängder avfall. Chemnitz tog upp detta problem i sin doktorsavhandling vid Münchens tekniska universitet.

Ny process undviker upp till 15 000 liter flytande radioaktivt avfall

De slutliga bestrålade plattorna omfattar endast cirka 0,1 procent Mo-99. För att säkerställa en renhet som är tillräcklig för medicinska tillämpningar måste Mo-99 noggrant separeras från det återstående materialet.

För närvarande finns det två standardprocesser som används, baserade på en sur respektive en alkalisk process. I den alkaliska varianten behandlas hela målet initialt med kaustiksoda. I processen löses Mo-99 företrädesvis, medan uranet är olösligt i denna lösning och förblir som ett fast ämne. De kvarvarande klyvningsprodukterna separeras sedan från vattenlösningen i en komplicerad kemisk separationsprocess.

Eftersom höganrikade mål ersattes med låganrikade mål, fördubblar samma molybdenutbyte det resulterande vattenhaltiga, medelaktiva radioaktiva avfallet till en årlig volym på upp till 15 000 liter världen över – som dessutom måste cementeras för att vara lämpligt för slutförvaring. , så att det i slutändan produceras radioaktivt avfall med en volym på 375 000 liter varje år.

Lösningen:Bli av med vattnet

För att lindra detta problem utvecklade Chemnitz och hans kollega Riane Stene en ny metod för att extrahera Mo-99 utan användning av vattenhaltig kemi.

I samarbete med fluorkemigruppen vid Philipps University of Marburg utvecklade forskarna ett system där uran-molybdentestplattorna reagerar med kvävetrifluorid i en plasma. Dessa plattor hade samma molybdenhalt som senare skulle finnas i faktiska bestrålade mål.

Slutligen separerade de överskottet uran från molybdenet via en ljuskontrollerad reaktion. Separationen av de två elementen på detta sätt är minst lika effektiv som natriumhydroxidbehandlingen som utfördes i det första steget av den konventionella upparbetningsproceduren – med det anmärkningsvärda undantaget att det inte producerar något vattenhaltigt avfall.

Endast sex stora forskningsreaktorer producerar molybden-99

"För närvarande producerar sex stora bestrålningsanläggningar över hela världen Mo-99. Av dessa forskningsreaktorer är fyra över 40 år gamla, vilket leder till oförutsedda reparationer och tillhörande avstängningar - vilket redan har hänt på senare tid. Det är därför vi är stolta över att FRM II, tillsammans med den franska Jules-Horowitz-reaktorn, kommer att kunna säkerställa den europeiska efterfrågan på Mo-99 i framtiden", säger Tobias Chemnitz.

TUM har lämnat in en patentansökan för processen. Oavsett att ytterligare utvecklingsarbete fortfarande behövs, är Chemnitz övertygad om att detta nya tillvägagångssätt kommer att ge ett hållbart alternativ till etablerade processer på medellång sikt.

Forskningen publiceras i Journal of Fluorine Chemistry . + Utforska vidare

Partnerskapet planerar att producera Mo-99 för att möta den globala efterfrågan på medicinska tillämpningar