Isotopenproductie: hoe Nederland en de wereld radioactieve deeltjes maken voor ziekenhuis en industrie
Stel je een keukenweegschaal voor die zo precies is dat hij het verschil ziet tussen twee suikerklontjes die er identiek uitzien, maar waarvan er één net iets zwaarder is. Zo werkt het ook met atomen: twee atomen van hetzelfde element, bijvoorbeeld molybdeen, kunnen een net iets ander gewicht hebben omdat er een extra deeltje in de kern zit. Zulke varianten heten isotopen. Sommige daarvan zijn instabiel en zenden vanzelf straling uit terwijl ze langzaam vervallen naar een stabielere vorm. Die straling is precies wat artsen en onderzoekers nodig hebben om binnenin het lichaam te kijken, tumoren te bestrijden of materialen te testen.
Isotopenproductie is het proces waarbij deze bruikbare, vaak radioactieve isotopen kunstmatig worden gemaakt, meestal in een kernreactor of een deeltjesversneller. Nederland speelt hierin al decennia een grote rol dankzij de kernreactor in Petten, en er wordt hard gewerkt aan een opvolger. Dit artikel legt uit hoe die productie werkt, waarom we het doen, wie eraan werken en hoe ver de techniek staat.
Wat is het precies?
Een isotoop maak je niet door iets "aan te zetten", maar door bestaand materiaal te bombarderen met deeltjes totdat de atoomkernen veranderen. Dat gebeurt op twee hoofdmanieren.
De eerste manier is via een kernreactor. In het hart van de reactor splitsen atoomkernen van uranium zich voortdurend, een proces dat splijting heet. Daarbij komen neutronen vrij: kleine, ongeladen deeltjes uit de atoomkern. Als je een doelwitmateriaal, bijvoorbeeld een schijfje verrijkt uranium of een staafje van het metaal molybdeen-98, in die neutronenregen plaatst, vangen de atomen in dat materiaal neutronen op. Daardoor verandert hun samenstelling en ontstaat een nieuwe, radioactieve isotoop. Dit heet neutronenactivatie of, bij uranium, ontstaat de isotoop juist als splijtingsproduct.
De tweede manier is via een cyclotron, een soort ronde deeltjesversneller die geladen deeltjes zoals protonen tot hoge snelheid opzweept en op een doelwit afvuurt. Dit levert andere isotopen op dan een reactor, en cyclotrons zijn kleiner en makkelijker bij een ziekenhuis te plaatsen dan een kernreactor.
Na het bestralen is het doelwit radioactief geworden, maar het gewenste isotoop zit vaak vermengd met andere stoffen. In een gespecialiseerde faciliteit, een hot cell genoemd waarin dik lood en robotarmen de operators beschermen tegen straling, wordt het doelwit chemisch bewerkt om de bruikbare isotoop te scheiden en te zuiveren. Vervolgens wordt het isotoop, vaak in vloeibare vorm, razendsnel getransporteerd naar radiofarmaceutische bedrijven en ziekenhuizen, want veel van deze isotopen vervallen binnen uren tot dagen tot de helft van hun activiteit: hun halveringstijd is kort.
Een goed voorbeeld van deze keten is molybdeen-99, dat vervalt tot technetium-99m, de meest gebruikte isotoop in de nucleaire geneeskunde. Omdat molybdeen-99 een halveringstijd heeft van ongeveer 66 uur, kan het net lang genoeg de wereld over reizen. In het ziekenhuis zit het vervolgens in een apparaat dat in de volksmond een "moly-cow" heet: een generator waar dagelijks technetium-99m uit wordt "gemolken" zodra het is aangemaakt door het vervallende molybdeen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is medische diagnostiek. Technetium-99m wordt bij miljoenen scans per jaar gebruikt om botten, hart, nieren, schildklier en andere organen in beeld te brengen: het isotoop wordt aan een biologisch molecuul gekoppeld dat zich ophoopt op de plek die de arts wil onderzoeken, waarna een camera de uitgezonden straling registreert.
Daarnaast is er groeiende vraag naar isotopen voor therapie. Bij zogeheten radioligandentherapie worden isotopen als lutetium-177 of het nog schaarsere actinium-225 gekoppeld aan moleculen die specifiek kankercellen opzoeken, zodat de straling gericht schade aanricht en gezond weefsel zoveel mogelijk wordt gespaard.
Buiten de geneeskunde bestaan er ook industriële en wetenschappelijke toepassingen: isotopen worden gebruikt om laagdiktes te meten, lassen te controleren, voedsel en medische instrumenten te steriliseren (met kobalt-60), en zelfs om ruimtesondes van stroom te voorzien via radio-isotopengeneratoren. De rode draad achter al deze doelen is dezelfde: een betrouwbare, veilige en tijdige aanvoer van stoffen die je nergens anders vandaan kunt halen dan uit een reactor of versneller, en die niet op voorraad gelegd kunnen worden vanwege hun snelle verval.
Voorbeelden uit de praktijk
De Hoge Flux Reactor (HFR) in Petten, in bedrijf sinds 1961 en beheerd door onderzoeksinstelling NRG, is decennialang een van de grootste producenten van medische isotopen ter wereld geweest en levert nog altijd een aanzienlijk deel van de Europese vraag naar molybdeen-99.
Als opvolger van de verouderende HFR wordt in Petten de PALLAS-reactor ontwikkeld, een project dat al jaren loopt en herhaaldelijk vertraging heeft opgelopen door financiering, vergunningen en de complexiteit van de bouw. De precieze opleverdatum is in de loop der jaren meermaals bijgesteld; lezers doen er goed aan de actuele planning bij de projectorganisatie zelf te raadplegen.
In België produceert de BR2-reactor van onderzoekscentrum SCK CEN in Mol, operationeel sinds 1963 en sindsdien meermaals gemoderniseerd, eveneens al decennia medische isotopen en is daarmee een van de oudste nog actieve onderzoeksreactoren voor dit doel.
Buiten Europa springt de OPAL-reactor van ANSTO in Australië in het oog: sinds de opening in 2007 is dit een moderne faciliteit die specifiek is ontworpen om zowel onderzoek als grootschalige isotopenproductie te combineren. Ook de SAFARI-1-reactor in Zuid-Afrika, beheerd door Necsa, is al sinds de jaren zestig een belangrijke leverancier voor met name de Amerikaanse markt.
Een les uit het verleden is de isotopencrisis van 2009-2010, toen zowel de HFR in Petten als de NRU-reactor in het Canadese Chalk River tegelijk buiten bedrijf waren voor onderhoud en reparaties. Ziekenhuizen wereldwijd kampten met tekorten aan technetium-99m, wat direct gevolgen had voor de planning van scans. Deze crisis was een belangrijke aanleiding voor internationale plannen om de productie te spreiden over meer locaties en minder afhankelijk te worden van een klein aantal oude reactoren.
Hoe ver is de techniek?
De reactorgebaseerde productie van isotopen zoals molybdeen-99 is een volwassen, decennialang beproefde techniek, maar de infrastructuur is kwetsbaar: veel van de reactoren die de wereld hiervan voorzien, zijn zelf al vijftig tot zestig jaar oud en naderen het einde van hun technische levensduur. Dat maakt de komst van opvolgers zoals PALLAS urgent, al verloopt de bouw van dergelijke complexe, streng gereguleerde faciliteiten doorgaans trager dan aanvankelijk gepland.
Tegelijk wordt gewerkt aan alternatieven die minder afhankelijk zijn van reactoren en van (hoogverrijkt) uranium, wat ook non-proliferatievoordelen heeft, omdat hoogverrijkt uranium in principe ook voor kernwapens bruikbaar is. Onderzoekers bij het Canadese laboratorium TRIUMF hebben laten zien dat technetium-99m rechtstreeks met een cyclotron te maken is, zonder de omweg via molybdeen-99. Het Amerikaanse bedrijf NorthStar Medical Radioisotopes produceert molybdeen-99 met een andere reactormethode, gebaseerd op neutronenvangst door molybdeen-98 in plaats van splijting van uranium, gecombineerd met een generatorsysteem dat zonder hoogverrijkt uranium werkt.
Deze alternatieve routes zijn operationeel en leveren al isotopen, maar de klassieke, op verrijkt uranium gebaseerde reactorproductie blijft voorlopig het grootste deel van de wereldwijde vraag dekken. De belangrijkste obstakels zijn niet zozeer natuurkundig van aard, maar organisatorisch: vergunningverlening, financiering van kostbare faciliteiten, en de logistiek om een stof met een halveringstijd van enkele dagen wereldwijd op tijd te laten aankomen.
Wie werken eraan?
In Nederland zijn NRG (exploitant van de HFR en initiatiefnemer van PALLAS) en radiofarmaceutisch bedrijf Curium, met een vestiging in Petten, de centrale spelers; Curium verwerkt onder meer het in de HFR geproduceerde molybdeen-99 verder tot bruikbare generatoren voor ziekenhuizen. In België is SCK CEN in Mol de belangrijkste onderzoeksinstelling.
Internationaal coördineert het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA), een gespecialiseerde organisatie van de Verenigde Naties, kennisuitwisseling en veiligheidsstandaarden rond isotopenproductie. De OECD Nuclear Energy Agency (NEA) publiceert regelmatig analyses over de leveringszekerheid van medische isotopen en brengt overheden en producenten samen om toekomstige tekorten te voorkomen. Andere belangrijke producerende landen en instellingen zijn Canada (onder meer TRIUMF), Australië (ANSTO), Zuid-Afrika (Necsa), Polen (het Maria-onderzoekscentrum) en Tsjechië, elk met hun eigen onderzoeksreactor of versnellerfaciliteit.