Het is een droom die langzaam maar zeker werkelijkheid wordt: radioactieve medische isotopen maken van niet-radioactieve grondstoffen zonder zwaar radioactief afval te produceren. Het Belgische Lighthouse Isotopes gaat met een door ASML ontwikkelde elektronenversneller molybdeen-99 maken.

De grondstof voor technetium- 99m (^99mTc), een radioactief isotoop dat ziekenhuizen gebruiken voor lichaamsscans voor bijvoorbeeld de diagnose van kanker, is molybdeen-99 (⁹⁹Mo). Het Belgische Instituut voor Radio Elementen (IRE) bij Charleroi is met 25 tot 30 % wereldmarktleider voor de productie van deze isotoop. Het zoekt een moderne oplossing om haar uit de jaren zeventig stammende faciliteiten voor de productie van 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. ‘Tijdens een studie naar alternatieven kwamen we op het spoor van een Canadese productietechniek met elektronenversnellers’, zegt Veerle Van de Steen, projectleider bij IRE. ‘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.’ 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 bij ASML, heeft gewerkt aan een elektronenversneller als onderdeel van chipmachines. 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, levert de versneller van ASML elektronen met een factor honderd grotere stroomsterkte, genoeg voor de productie van ⁹⁹Mo.

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 cavities (holle structuren). 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 megawatts 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

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 (Bremsstrahlung ofwel remstraling, red). Die gammafotonen reizen door het molybdeen tot ze een atoomkern raken en daar een neutron uit de kern tikken. Het stabiele ¹⁰⁰Mo verandert dan 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, zeven tot acht dagen. Tegen die tijd is slechts een fractie van een procent van het ¹⁰⁰Mo omgezet in ⁹⁹Mo, maar dat is voldoende voor het gebruik 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 Van de Steen. ‘We zullen nog zo’n twintig maanden nodig hebben voor de voorbereiding van de bouw van de eerste productielijn. Deze moet in 2023 klaar zijn en vanaf 2024 ⁹⁹Mo produceren. Daarna bouwen we een tweede productielijn op basis van de ervaringen met de eerste.’

‘Hollandse zuinigheid’ en ‘kapende Belgen’ was de tendens van menige krantenkop toen vorig jaar de samenwerking tussen ASML en IRE bekend werd rond de in Nederland als Nationaal Icoon bestempelde technologie. De Jager: ‘We vroegen in eerste instantie in 2016 Nederlandse partijen om met ons in zee te gaan, maar ze hadden gewoon geen interesse. In België hebben ze wel interesse en ik ben blij dat IRE de elektronenversneller samen met ons vorm wil geven.’