Molybdeen-99: levensreddende diagnostiek
Molybdeen-99 (Mo-99) is de radioactieve isotoop die tal van diagnostische procedures in de nucleaire geneeskunde mogelijk maakt, zoals SPECT-scans, waarmee veel potentieel levensbedreigende aandoeningen kunnen worden opgespoord en patiënten de potentieel levensreddende behandelingen kunnen krijgen die ze nodig hebben. Als moederisotoop van technetium-99m, een lichtuitstralend element dat dagelijks bij 56.000 Amerikanen wordt gebruikt voor de diagnose en het vaststellen van het stadium van ziekten zoals kanker en hartziekten, is Mo-99 een van ’s werelds meest waardevolle radio-isotopen.
Ons op fusie gebaseerde productiesysteem voor medische isotopen produceert molybdeen-99 met een hoge specifieke activiteit door middel van een eigen fusie-splijtingsproces, zonder dat daarvoor een conventionele reactor nodig is en zonder gebruik te maken van inefficiënt, hoogverrijkt uranium. Wij zijn van mening dat onze productie van Mo-99 in de Verenigde Staten chronische tekorten zal verminderen, zo niet voorkomen, doordat de isotoop op een efficiënte, schone en goedkope manier wordt geproduceerd die aansluit bij de bestaande toeleveringsketen voor radio-isotopen.
Waarvoor wordt molybdeen-99 gebruikt?
Molybdeen-99 is de moederisotoop van technetium-99m, een gamma-uitstralende isotoop die wordt gebruikt als radioactieve tracer bij medische beeldvormingsprocedures zoals SPECT-scans. Tech-99m wordt wereldwijd jaarlijks bij tientallen miljoenen medische diagnostische procedures ingezet. Het is een essentieel medisch hulpmiddel voor de diagnose van hartaandoeningen, botaandoeningen en kanker.
Tech-99m heeft een zeer korte halfwaardetijd; van elke geleverde partij zal bijna alles binnen een dag vervallen. Door zijn korte halfwaardetijd is het uiterst bruikbaar als tracer, maar het maakt het ook onmogelijk om het op te slaan. Tech-99m moet vrijwel onmiddellijk na de productie worden gebruikt. Mo-99 heeft een veel langere halfwaardetijd, waardoor het vanuit productiefaciliteiten kan worden vervoerd naar radiofarmaceutische faciliteiten, waar het in een technetiumgenerator kan worden verwerkt.
Toepassingen van molybdeen-99 in de nucleaire geneeskunde
Aangezien technetium-99m uitsluitend wordt verkregen uit molybdeen-99, is molybdeen van cruciaal belang voor een zeer breed scala aan diagnostische procedures in de nucleaire geneeskunde die afhankelijk zijn van Tech-99m, zoals:
- Single-photon-emissie-computertomografie: bij SPECT-scans wordt gebruikgemaakt van gammastraling uitzendende isotopen, meestal Tech-99m, om met behulp van een roterende gammacamera een 3D-beeld van het lichaam van een patiënt te genereren
- Botscans: Tech-99m en medroninezuur brengen gebieden met actieve botgroei in het lichaam in kaart
- Beeldvorming van de myocardperfusie: een vorm van functionele hartbeeldvorming die wordt gebruikt als inspanningstest voor het hart
- Hartventrikulografie: Tech-99m fungeert als tracer voor het onderzoeken van hartaandoeningen zoals coronaire hartziekte, hartklepaandoeningen, aangeboren hartafwijkingen en cardiomyopathie
- Functionele hersenscans: Door gebieden in de hersenen met een hoge bloeddoorstroming te lokaliseren, kan Tech-99m worden gebruikt om de regionale stofwisselingssnelheid van hersenweefsel in kaart te brengen
- Identificatie van de sentinelklier: Met Tech-99m kunnen de belangrijkste lymfeklieren worden geïdentificeerd die de afvoer van een tumor verzorgen, zoals bij borstkanker of een maligne melanoom
- Immunoscintigrafie: Tech-99m kan worden ingebouwd in een monoklonaal antilichaam dat zich aan kankercellen kan binden, om moeilijk op te sporen vormen van kanker, zoals darmkanker, op te sporen
- Markering van de bloedpool: Door Tech-99m te binden aan een tinverbinding kan het worden gebruikt om aandoeningen van de bloedsomloop, zoals inwendige bloedingen en afwijkingen in de beweging van de hartwand, in kaart te brengen
Technetium-99m wordt ook gebruikt in combinatie met pyrofosfaat om de schade aan het hart na een hartaanval te beoordelen, met zwavel om de structuur van de milt in beeld te brengen, en met technetaat(VII) om het divertikel van Meckel op te sporen.
Komt molybdeen-99 van nature voor?
Molybdeen, het vierenvijftigste meest voorkomende element in de aardkorst, heeft zeven natuurlijk voorkomende isotopen van de in totaal vijfendertig bekende isotopen, en molybdeen-99 behoort daar niet toe. Mo-99 is geen natuurlijk voorkomende isotoop van molybdeen. SHINE heeft een innovatief proces ontwikkeld om Mo-99 te produceren door middel van intensieve neutronenbestraling van laagverrijkt uranium.
Wanneer uranium-235, de meest splijtbare isotoop van uranium, wordt blootgesteld aan neutronenstraling, ondergaat het een kernsplijting en ontstaan er talrijke lichtere isotopen, waaronder Mo-99.
Hoewel uraniumkernsplijting van nature kan plaatsvinden in een natuurlijke kernsplijtingsreactor (waarvan het enige bekende geval zich twee miljard jaar geleden in Gabon, Frankrijk, heeft voorgedaan), zijn alleen door de mens veroorzaakte kernsplijtingsreacties met voldoende verrijkt uranium toereikend om Mo-99 in noemenswaardige hoeveelheden te produceren.
Welk soort straling zendt molybdeen-99 uit?
Tijdens hun verval geven onstabiele isotopen energie af in de vorm van overtollige alfa-, bèta-, neutronen- of fotonenstraling, om zo een stabielere vorm te bereiken. Molybdeen-99 zendt bètastraling uit – dat wil zeggen: er wordt een geladen elektron uit de atoomkern vrijgegeven – terwijl het vervalt tot zijn dochterisotoop, technetium-99m.
Een veelvoorkomende misvatting over Mo-99 is dat het de gammastraling uitzendende isotoop is die bij veel diagnostische procedures in de nucleaire geneeskunde wordt gebruikt, zoals SPECT-scans en botscans. Vaak wordt Mo-99 verward met Tech-99m, omdat het eerstgenoemde wordt gebruikt voor de productie van het laatstgenoemde.
Waar wordt molybdeen-99 geproduceerd?
Momenteel is de meest gangbare methode voor de productie van molybdeen-99 het gebruik van kernsplijtingsreactoren die geen elektriciteit opwekken. Deze reactoren gebruikten vroeger hoogverrijkt uranium als brandstof voor de productie van Mo-99, maar de meeste zijn uit bezorgdheid over nucleaire proliferatie en veiligheid overgestapt van HEU op laagverrijkt uranium.
Er zijn wereldwijd slechts een handvol van dergelijke installaties, verspreid over Europa, Zuid-Afrika en Australië. Deze enkele reactorinstallaties, die zich allemaal op het oostelijk halfrond bevinden, leveren momenteel het overgrote deel van het wereldwijde Mo-99.
Gezien de onzekere situatie worden er tal van nieuwe methoden overwogen om een betrouwbare binnenlandse aanvoer van Mo-99 te waarborgen, waaronder ons eigen productieproces voor isotopen op basis van fusie en kernsplijting.
Waarom is er een tekort aan molybdeen-99?
Molybdeen-99 is een onstabiele radioactieve isotoop en vervalt daarom uiteindelijk tot andere elementen. Met een halfwaardetijd van 66 uur duurt het iets minder dan drie dagen voordat de helft van een willekeurige hoeveelheid Mo-99 is vervallen tot technetium-99m. Tech-99m vervalt nog sneller, met een halfwaardetijd van zes uur, tot technetium-99, dat medisch gezien geen nut heeft, en vervolgens tot stabiel ruthenium. Met andere woorden: de voorraad Mo-99 raakt voortdurend op en het is onmogelijk om de isotoop op te slaan. Daarom moeten de productiefaciliteiten voor isotopen continu in bedrijf zijn om een betrouwbare binnenlandse bevoorrading te waarborgen.
Omdat er zo weinig reactoren zijn die Mo-99 produceren, brengt de tijdelijke stillegging van één reactor vanwege onderhoud of onvoorziene problemen de gehele wereldwijde Mo-99-toeleveringsketen in gevaar, wat leidt tot wereldwijde tekorten aan de isotopen die nodig zijn voor levensreddende medische zorg. De gemiddelde leeftijd van deze reactoren ligt tussen de 50 en 60 jaar, en de meeste zullen naar verwachting in de komende vijf tot tien jaar buiten bedrijf worden gesteld – waardoor er tegen 2030 alleen nog de Australische reactor in bedrijf zal zijn.
Hoe wordt molybdeen-99 geproduceerd?
Er zijn verschillende manieren om molybdeen-99 te produceren, waarbij de productie van Mo-99 in een reactor de meest gangbare methode is. Wij zijn van mening dat het SHINE-isotoopproductieproces de beste manier is om Mo-99 te produceren, en dat onze productiefaciliteiten voor molybdeen-99 in de toekomst zullen voorzien in het grootste deel van de wereldwijde vraag naar deze essentiële medische radio-isotoop.
Mo-99 wordt geproduceerd door verrijkt uranium te bestralen met neutronenstraling. Wanneer het uranium een kernsplijting ondergaat, valt het uiteen in verschillende lichtere elementen. In de Mo-99-productiefaciliteiten wordt het Mo-99 gescheiden van de overige splijtingsbijproducten, waarna het wordt verpakt en verzonden naar radiofarmaceutische faciliteiten over de hele wereld, waar het kan worden verwerkt tot technetium-99m en gebruikt bij medische diagnostische procedures.
Na een wereldwijd tekort aan medische radio-isotopen in 2008-2009, veroorzaakt doordat verschillende reactorinstallaties die Mo-99 leverden buiten bedrijf werden gesteld, heeft het Amerikaanse Ministerie van Energie getracht nieuwe methoden te ontwikkelen voor de productie van deze cruciale isotop. Met steun van het DOE hebben veel bedrijven onderzoek gedaan naar nieuwe manieren om Mo-99 te produceren. Bij sommige van deze methoden worden andere isotopen van molybdeen, zoals molybdeen-98 of molybdeen-100, via nucleaire transmutatie omgezet in Mo-99, in plaats van gebruik te maken van uraniumkernsplijting.
Onze methode voor de productie van isotopen is gebaseerd op het gebruik van eigen kernfusietechnologie om gerecycled uranium om te zetten in levensreddende medicijnen. Hoewel alle voorgestelde methoden voor de productie van Mo-99 hun eigen voor- en nadelen hebben, zijn wij van mening dat onze methode het meest geschikt is om de verouderde reactoren, die de wereld momenteel van dit cruciale diagnostische hulpmiddel voorzien, aan te vullen en uiteindelijk te vervangen.
Het productieproces van molybdeen-99 bij SHINE
Bij ons productieproces voor molybdeen-99 maken we gebruik van onze revolutionaire deuterium-tritium-fusieneutronengeneratoren om Mo-99 te produceren. Onze DT-neutronengeneratoren maken gebruik van een compacte deeltjesversneller om deuterium en tritium, twee isotopen van waterstof, te fuseren en zo een zeer hoge, aanhoudende opbrengst aan neutronenstraling te genereren. Met dit systeem hebben we een record gevestigd voor de krachtigste, door de mensheid gebouwde fusieneutronenbron met een aanhoudende output.
Laagverrijkt uranium voor de productie van Mo-99
De hoge opbrengst aan neutronenstraling die wij produceren, wekt kernsplijting op in laagverrijkt uranium. Wij betrekken ons LEU uit ontmantelde nucleaire installaties, om zo uranium te recyclen dat niet langer in gebruik is. Hoogverrijkt uranium uit deze ontmantelde installaties wordt verdund, of ‘gedownblended’, tot LEU en opgelost in water om uranylsulfaat te verkrijgen. Deze uraniumoplossing dient als doelwit voor de neutronenbundel die door onze DT-neutronengeneratoren wordt geproduceerd.
Net als in een kernsplijtingsreactor levert de kernsplijting van LEU Mo-99 op als bijproduct, samen met andere isotopen die voor medische doeleinden worden gebruikt. Via ons eigen extractie- en zuiveringsproces voor isotopen hebben we ons Mo-99 uit de uraniumoplossing gescheiden en zorgen we ervoor dat het voldoet aan alle medische en klantspecifieke normen.
Voordelen van onze productie van molybdeen-99
Wij zijn ervan overtuigd dat ons op fusie gebaseerde productieproces voor molybdeen-99 de beste en meest betrouwbare manier is om Mo-99 te produceren. Om de volgende redenen biedt ons isotopenproductieproces duidelijke voordelen ten opzichte van alle andere methoden voor de productie van deze essentiële isotoop:
Ontmanteling van kernsplijtingsreactoren
Door gebruik te maken van door kernfusie geproduceerde neutronen, hebben we geen kernsplijtingsreactoren meer nodig. Door kernsplijtingsreactoren overbodig te maken, elimineren we ook vrijwel al het nucleaire afval dat gepaard gaat met de exploitatie van deze reactoren.
Hoewel de huidige Mo-99-productiefaciliteiten niet worden gebruikt voor het opwekken van elektriciteit, produceren ze grotendeels dezelfde radioactieve afvalbijproducten als kernreactoren die elektriciteit opwekken. Reactorloze methoden voor de productie van isotopen hebben het duidelijke voordeel dat ze veel minder afval produceren dan kernreactoren.
Verwijdering van hoogverrijkt uranium
HEU, de meest gebruikte vorm van uranium voor kernenergie, vormt een groot risico op het gebied van nucleaire proliferatie. De afgelopen jaren zijn de meeste reactorinstallaties die Mo-99 produceren begonnen met het geleidelijk vervangen van HEU door LEU om dit risico aan te pakken. Door het gebruik van HEU voor de productie van isotopen te verminderen, is het gemakkelijker te voorkomen dat HEU in verkeerde handen terechtkomt.
Ons productieproces sluit HEU op meer dan één manier uit. Het LEU dat we in ons isotopenproductiesysteem gebruiken, wordt verkregen door HEU uit ontmantelde nucleaire installaties te halen en dit te verdunnen, zodat splijtbaar uranium een veel lager percentage van de totale massa uitmaakt. Dit neemt de bezorgdheid weg over de opslag van HEU dat niet langer in gebruik is. Door gebruik te maken van uit HEU vervaagd LEU sluiten we uit dat HEU dat in het productieproces wordt gebruikt, wordt omgeleid voor de productie van kernwapens. Onze methode voor de productie van isotopen is de beste manier om Mo-99 te produceren zonder hoogverrijkt uranium.
Herbruikbare doelvloeistof
In tegenstelling tot reactorinstallaties doet ons Mo-99-productiesysteem meer met minder. Onze vloeibare LEU-targetoplossing kan na elk gebruik worden gerecycled en opnieuw in ons productiesysteem worden ingevoerd, waardoor de hoeveelheid uranium die nodig is om Mo-99 te produceren drastisch wordt verminderd. Deze recyclebare targetoplossing zorgt bovendien voor minder nucleair afval, maakt het scheiden van de isotopen eenvoudiger en vermindert de hoeveelheid uranium die nodig is om een bepaalde hoeveelheid Mo-99 te produceren.
Commercieel bruikbaar Mo-99 geproduceerd
Het belangrijkste voordeel van ons Mo-99-productieproces ten opzichte van andere concurrerende methoden voor de productie van isotopen is de commerciële haalbaarheid ervan. In tegenstelling tot onze concurrenten is ons Mo-99-productiesysteem vanaf het begin volledig ontworpen om naadloos aan te sluiten op de bestaande toeleveringsketen voor medische isotopen. Wij produceren Mo-99 van hoge kwaliteit, met een hoge zuiverheid en een hoge specifieke activiteit, dat direct klaar is voor levering aan medische instellingen voor nucleaire geneeskundige procedures.
Onze Mo-99-productiefaciliteit in Janesville, Wisconsin, zal naar verwachting beschikken over de grootste capaciteit ter wereld voor de productie van medische isotopen, waardoor cruciale medische isotopen tot wel 24 tot 36 uur sneller dan bij de huidige leveranciers betrouwbaar aan artsen in de VS kunnen worden geleverd. Wij zijn van mening dat de faciliteit, wanneer deze op volle capaciteit draait, in staat zal zijn om aan de huidige Amerikaanse vraag naar Mo-99 te voldoen, wat overeenkomt met meer dan een derde van de huidige wereldwijde vraag.
Onze toekomstige productiefaciliteit in Veendam, Nederland, zal een vergelijkbare capaciteit hebben, waardoor we tweederde van de wereldwijde behoefte aan Mo-99 kunnen produceren.