von Dr. Juri Tsoglin KIW-Gesellschaft e.V., Dresden

I. Geschichte des Problems, Voraussetzungen

Noch vor kurzem litt die Welt unter ernsten Schwierigkeiten bei der Versorgung mit Molybdän99 Davon zeugt die Pressemitteilung des Deutschen Verbandes für Nuklearmedizin vom Februar 2010. Es handelte sich um den auf dem Nuklearmedizinischen Kongress (Leipzig, 21.-24. April

2010) gehaltenen Vortrag „G E“. Im August desselben Jahres wurde das Problem von der EU- Kommission beraten und schließlich wurde zu diesem Thema am 14. September von der SPD- Bundestagsfraktion eine Anfrage (32 Punkte) an die Bundesregierung gerichtet. 99Mo ist das Ausgangsnuklid für Technetium ^99mTc, das sogenannte „Arbeitspferd“ der Nuklear- medizin. Seine Halbwertzeit beträgt 6 Stunden. Indem es einen Gamma-Quant mit einer Energie von 140 keV ausstrahlt, verwandelt es sich in das praktisch stabile Isotop ⁹⁹Tc mit einer Halb- wertzeit von 214000 Jahren. Photonen dieser Energie sind gut mit einem Gamma-Kamera genannten Gerät zu registrieren. Das ^99mTc lagert sich in speziellen, mit dem Ausgangsnuklid ⁹⁹Mo beladenen, Technetium-Generatoren (Mo/Tc Generator) ab.

⁹⁹Mo hat eine Halbwertzeit von 66 Stunden. Das in dieser Zeit erhaltene ^99mTc wird aus dem   Generator befördert und durch eine Sorbtionssäule, die eine Lösung von NaCl, Al₂O₃, ⁹⁹Mo und ^99mTc enthält, hindurch geleitet. Die NaCl-Lösung wäscht das Technetium aus, in dem es die Verbindung Na₂^99mTcO₄, das Natriumpertechnitat, bildet. Das ⁹⁹Mo bleibt in der Sorbtions-säule zurück. Eine weitere Abscheidung ist in ungefähr 24 Stunden möglich, wenn sich wieder genügend ^99mTc angesammelt hat. Dieser Vorgang kann in einem Generator bis zu fünf Tage lang wiederholt werden, dann muß der Generator ausgetauscht werden.

Wegen der kurzen Halbwertzeit von ⁹⁹Mo ist es nicht möglich, Vorräte von beladenen Generatoren anzulegen. Sie müssen wöchentlich oder noch häufiger angeliefert werden.

II. Marktlage
Der weltweite wöchentliche Bedarf an ⁹⁹Mo beträgt 12000 Curie, berechnet nach der Aktivität am sechsten Tag nach der Produktion, denn :

die Standardprozedur der Berechnung der Lieferung und ihres Preises beruht auf der Größe der Radioaktivität, die am sechsten Tag nach der Ausfuhr des ⁹⁹Mo aus seinem Herstellungsland vorliegt.

Der Bedarf der Bundesrepublik Deutschland an ⁹⁹Mo beläuft sich gemäß dieser Berechnung
auf 1500 Curie pro Woche, entsprechend einer Wochenproduktion des Herstellers von 6000 Curie.

Die bedeutendsten Hersteller von ⁹⁹Mo sind fünf große Unternehmen (Tabelle 1), die über „heiße“ Laboratorien verfügen, in denen mit Hilfe von entsprechenden Kernreaktoren Spalt - ⁹⁹Mo erzeugt wird.

Tabelle 1

III. Weltweit übliche Technologie der Gewinnung von Spalt-Molybdän

Molybdän wird als Spaltprodukt von ²³⁵U bei Bestrahlung durch thermische Neutronen gewonnen.  Target-Material aus angereichertem ²³⁵U kann die Form von metallischem Uran, Uranoxiden oder Uranlegierungen haben. Das Target muss Schutz vor Entweichen der Spaltprodukte bieten, insbe-sondere vor gasförmigen, und eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, um Überhitzung bei der Bestrahlung zu vermeiden. Dazu gibt es noch einige spezielle Anforderungen an die Konstruktion des Targets, die mit dem verwendeten Spaltmaterial zusammenhängen, was die Technologie noch schwieriger macht.

Der Ertrag des Spalt - ⁹⁹Mo beträgt durchschnittlich 6 % der gesamten Spaltprodukte. Bei einer

Neutronenstromdichte von 10¹⁴ n / (cm² * s ) ergibt sich eine maximale Ausbeute des ⁹⁹Mo zum5.-7. Tag der Bestrahlung. Zu diesem Zeitpunkt sind erst ca. 3 % der ²³⁵U-Kerne verbraucht. Das restliche Uran sowie die 94 % der Spalt-Produkte gelten als hochradioaktiver Abfall. Auf 1 Curie gewonnenen ⁹⁹Mo entfallen 50 Curie hochradioaktiver Abfall, der weiter behandelt und entsorgt werden muss. Deshalb benötigt ein Kernreaktor als Folgeeinrichtung ein „heißes“ Laboratorium - eine radiochemische Produktionsstätte – zum Abscheiden des Molybdäns und zur Verarbeitung der Abfälle. Dieser unabdingbare Vorgang, der 14 bis 20 Stunden dauert, verlängert die Lieferzeit des Molybdäns zum Generator und führt zu Verlusten des gewonnenen Produkts. Das Vorhandensein eines „heißen“ Laboratoriums in der Produktionskette ist ein weiterer Faktor, der die Sicherheit der Lieferung vermindert (hohes Risiko von Strahlungsunfällen). Außerdem sind die Lizenzen streng an einen bestimmten Kernreaktor und dessen Produktionskette gebunden und können im Havariefall eines Gliedes nicht anderweitig ersetzt werden. Das heißt aber, dass alle Linien ohne jegliche Reserven arbeiten. Darin liegt eine der Ursachen der Verluste der Molybdänlieferungen bis zu 60 %. Das derzeitige Defizit der ⁹⁹Mo-Lieferungen liegt oft beim Versagen nur eines einzigen Gliedes der Produktionskette, z.B.

1. 2008 bei der kanadischen Reaktoranlage NRU in Chalk-River wegen eines Lecks im Primärkreislauf
2. 2008 und bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt in der Reaktoranlage HFR in den Niederlanden aus technischen Gründen
3. durch einen Ausfall des „heißen“ Laboratoriums in Belgien, wegen einer Emission von Radionukliden in die Umwelt

IV. Technologie des Bestrahlungs-Molybdäns

In einem Kernreaktor kann nicht nur Spalt-⁹⁹Mo produziert werden. Ein anderer Weg ist der der Kernreaktion auf ⁹⁸Mo nach dem Schema

⁹⁸Mo + n  ==>  ⁹⁹Mo + γ (740 keV)

In der derzeigen  ⁹⁹Mo - Herstellung gilt dieser Weg als kommerziell inakzeptabel wegen der geringen spezifischen Aktivität (Curie/g – Ziel). Dieser Herstellungsweg wird manchmal für kleine Mengen von ^99mTc direkt im Kernreaktor in zentralisierten Extraktionsgeneratoren genutzt.  Dabei hat diese von den Großherstellern nicht anerkannte Technologie bedeutende Vorzüge gegenüber der üblichen Spalt-Technologie :

1. Die Bestrahlungstechnologie benutzt kein spaltbares Material, d.h.:
   • das Risiko des Verlustes spaltbaren Materials entfällt
   • das Problem der Überhitzung des Targets entfällt
   • das Risiko der kritischen Masse entfällt
2. Es ist eine ökologisch saubere Technologie, die ohne radioaktive Abfälle und Transurane auskommt.
3. In dieser Herstellungskette gibt es keine Radiochemie, daher:
   • bedeutend geringeres Risiko von Strahlungsunfällen
   • kürzere Lieferzeit von ⁹⁹Mo bis zum Nutzer und Vergrößerung der Ausbeute an ^99mTc
   • sinkende allgemeine Kosten
   • größere Flexibilität der Herstellungslinie
4. proportionierte Produktion (Bestrahlung), die sich von Anfang an am Umfang des Bedarfs orientiert, ist möglich 
   
   Die Bestrahlungstechnologie wird noch weiter an Anziehungskraft gewinnen, falls die Spalt-Technologie auf niedrig angereichertes Uran (LEU) umgestellt werden muss, wodurch es zu einer Vergrößerung der Targets, also auch zu einer Vermehrung des radioaktiven Abfalls und somit zu einer Erhöhung der Aufwendungen und des Preises des ⁹⁹Mo kommt.

V. Herstellung von Bestrahlungs - ⁹⁹Mo in Kiew

Die Produktion des Bestrahlungs - ⁹⁹Mo im Kiewer Reaktor WWR-M wurde auf eine Initiative der Leitung von KFI NANU organisiert. Daraus ergab sich, nachdem Informationen über die Lieferkrise von ⁹⁹Mo in Deutschland und Europa bekannt geworden waren, der Vorschlag, die Kapazitäten und technologisch-wissenschaftlichen Ausarbeitungen aus Kiew zur Überwindung der Krise nutzbar zu machen.

Nach Beratungen mit der Leitung und den Wissenschaftlern des KFI wurde ein Projekt ausge-arbeitet und seine Anerkennung als bilaterales Kooperationsvorhaben „MOLYBDÄN 99“ gleich-zeitig bei den entsprechenden Ministerien der Bundesrepublik und der Ukraine erbeten.  Das beantragte Projekt sieht die Modernisierung der in Kiew erarbeiteten Bestrahlungstechnologie zur Gewinnung von ⁹⁹Mo im Umfang von 1500-2000 Curie (am 6. Tag) vor, sowie die Organisation des Transfers des Radionuklids an deutsche Krankenhäuser.

Während der Vorbereitung des Projekts wurden auch die Gründe für die weltweite Bevorzugung der Spalttechnologie zur Gewinnung von ⁹⁹Mo analysiert. Es wurde festgestellt, dass die Ursachen der Ablehnung der Bestrahlungstechnologie zugunsten der Spalt-Technologie weniger auf           physikalisch-technischem Gebiet liegen als am Festhalten an den Vorstellungen und der finanziellen Konjunktur. Diese Vorstellungen sind seit langer Zeit eingefahren und nie einer ernsthaften  Untersuchung auf ihre Geltung hin unterzogen worden.

Ausgehend von langjährigen Erfahrungen der Reaktorforschung und aufgrund speziell zum Projekt       vorgenommener Berechnungen und Experimente konnten wir feststellen, dass die geringe spezi-fische Aktivität (Curie/g) des Target-Materials –  MoO₃ nach der Neutronenbestrahlung kein unausweichlicher Faktor der Bestrahlungstechnologie (n,γ) ist. Es erwies sich, dass diesem Mangel durch eine Reihe von durchaus anwendungsbereiten neutronen-physikalischen Verfahren abzuhelfen  ist.

Sechs Verfahren wurden erforscht (s. Tabelle 2), die die Bestrahlungstechnologie zu einer hoch-produktiven Technologie machen und die zur Modernisierung der  Bestrahlungstechnologie am Kiewer Forschungs-Kernreaktor (FKR) eingeführt werden sollen.

Tabelle 2

Dabei ist zu beachten, dass die Einführung all dieser aufgezählten Verfahren in das technologische Produktionsschema des ⁹⁹Mo zu keiner Veränderung der Produktionskette noch der Apparatur und der Geräte in dem Abschnitt der Gewinnung von ^99mTc und seiner Nutzung führt, so dass die für die Einführung in den Markt notwendige Vereinbarkeit der neuen (n, γ)-Technologie mit der welt-weit üblichen (n, f)-Technologie erreicht ist.

VI.   Notwendige Schritte und zu erwartender Effekt

Wie die vorangegangenen Berechnungen und Experimente gezeigt hatten  kann, bei spezieller Organisation des Neutronenspektrums mit einer Verlagerung in den Bereich der intermediären Neutronen, in 114 Stunden Bestrahlung für das Target-Material MoO₃ mit einer Anreicherung von bis zu 99% eine spezifische Aktivitätsgröße bis zu 20 Curie/g MoO₃ erreicht werden.

Z.B. müssen, um dem wöchentlichen Bedarf Deutschlands zu entsprechen – 1500 Curie, d.h.  6000  Curie aus dem Reaktor, im Rahmen eines Standard-Arbeitszyklus’ des Reaktors von 114 Stunden 300g Molybdäntrioxid mit einer 99%-igen Anreicherung von ⁹⁸Mo bestrahlt werden.  Dazu genügt es, wenn in einen üblichen Bestrahlungskanal mit einem Durchmesser von 35/32 mm  4 Ampullen mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Höhe von 140 mm eingelegt werden.

Für die Absicherung der Lieferungen wird vorgeschlagen, eine Kooperation des Kiewer Reaktors WWR-M mit dem Reaktor IRT-100 aus Sewastopol zu  untersuchen.

Dieser Reaktor besitzt eine Kapazität von 200 kW und einen maximalen Neutronenstrom von ≈  5 * 10¹² n/ (cm² ·s). Sein aktiver Bereich lässt die Einrichtung von 2-3 Bestrahlungskanälen mit einem Durchmesser bis zu 45 mm zu. Das ermöglicht die gleichzeitige Bestrahlung von 600-700 g Molybdänoxid der bis zu 99 % mit ⁹⁸Mo angereicherten Molybdäns. Wenn es gelingt, durch eine verhältnismäßig einfache Modernisierung des Reaktors im Teil der Entwicklung der Ober-fläche seines in den Tank des Reaktors eingebauten konvektiven Wärmeüberträgers und durch das Ansetzen von AS, die Kapazität auf bis zu 500 kW zu erhöhen, dann kann man bei dem entsprechend organisiertem Neutronenspektrum, mit einer Verlagerung in den intermediären Bereich, bis zu 500 Curie in einer Woche am 6. Kalibrierungstag produzieren. Dabei wird vermutet, dass der Reaktor jeden Tag in dem üblichen Lernprozess-Regime arbeiten soll. Und nur in den speziellen Fällen, z.B. planmäßigen, wird er im ununterbrochenen Regime 100-120 Stunden an der Herstellung von ⁹⁹Mo arbeiten.

VII. Zusammenfassung

Zusammenfassend soll darauf hingewiesen werden, dass die Herstellung des Radionuklids ⁹⁹Mo nach der uranfreien Technologie in der Ukraine und die Organisation des Transfers der Technologie und der Lieferung des ⁹⁹Mo nach Deutschland und vermutlich auch in andere EU-Länder von großer sozialer, ökologischer und politischer Bedeutung ist. Außerdem ist das vorgeschlagene Kooperations- vorhaben eine finanziell günstige Unternehmung. Der Preis für ⁹⁹Mo wächst. Anfang 2010 lag der Preis bei ca. 470 USD/Curie _6.Tag und jetzt ist ~ 850 USD/Curie _6.Tag.