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Simultaneous Production of Molybdenum-99 and Actinium- 225 using Indonesia Research Reactor (RSG-GAS)

Diese Studie zeigt, dass der indonesische Forschungsreaktor RSG-GAS unter Verwendung einer modifizierten Elektroplattierungskapsel mit gering angereichertem Uran gleichzeitig Molybdän-99 produzieren und die Ausbeute an Actinium-225 durch optimierte Bestrahlung und mehrfache Milching-Zyklen auf 4,3 GBq steigern kann.

Ursprüngliche Autoren: Amila Amatullah, Naoyuki Takaki

Veröffentlicht 2026-07-07

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Amila Amatullah, Naoyuki Takaki

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Das große Ganze: Zwei Medikamente aus einer Maschine

Stellen Sie sich einen Forschungsreaktor wie eine riesige, Hochleistungs-Küche vor. Normalt wird diese Küche dazu verwendet, eine ganz bestimmte Art von „radioaktivem Brot“ namens Molybdän-99 (99Mo) zu backen. Wenn dieses Brot „altbacken“ wird (zerfällt), verwandelt es sich in Technetium-99m, das Ärzte verwenden, um röntgenähnliche Bilder aus dem Inneren des menschlichen Körpers zu machen (wie etwa zur Untersuchung des Herzens oder der Knochen). Dies ist das am häufigsten verwendete Medikament in der nuklearen Bildgebung heute.

Es gibt jedoch einen Mangel an einer anderen Art von „Medikament“ namens Actinium-225 (225Ac). Dieses wird verwendet, um Krebs zu behandeln, indem winzige, kraftvolle Alphateilchen direkt auf die Tumorzellen geschossen werden.

Das Ziel: Die Forscher wollten sehen, ob sie beide Arten von Medikamenten gleichzeitig in derselben Küche (dem indonesischen RSG-GAS-Reaktor) backen können, ohne den Ofen oder die Zutaten zu beschädigen.

Das neue Werkzeug: Eine „Matroschka“-Kapsel

Um dies zu erreichen, entwarf das Team einen speziellen Behälter, den sie eine modifizierte LEU-Elektroplattierungskapsel nennen. Stellen Sie sich diese Kapsel wie eine Reihe von Matroschka-Puppen oder ein geschichtetes Sandwich vor:

Die äußere Hülle: Ein Behälter aus Edelstahl.
Die Füllung (Der „Teig“): Eine sehr dünne Schicht aus niedrig angereichertem Uran (LEU). Wenn der Reaktor Neutronen auf diese Schicht feuert, spaltet sie sich (fissioniert), wodurch das benötigte Molybdän-99 für die Bildgebung entsteht.
Die Mitte (Die „Füllung“): Genau in der Mitte der Kapsel, umgeben von Heliumgas, befindet sich ein winziges Target aus Radium-226.

Wie es funktioniert:
Wenn sich die Uranschicht spaltet, erzeugt sie nicht nur Molybdän, sondern verschießt auch „schnelle“ Neutronen (wie Hochgeschwindigkeitskugeln). Diese schnellen Kugeln treffen das Radium-226 in der Mitte. Diese Kollision verwandelt das Radium in Radium-225, das schließlich zu dem krebsbekämpfenden Actinium-225 zerfällt.

Das Experiment: Die perfekte Dicke finden

Die Forscher mussten herausfinden, wie dick die Uranschicht sein sollte.

Zu dünn: Wenn die Uranschicht zu dünn ist, erzeugt sie nicht genügend schnelle Neutronen, um das Radium effizient in Actinium umzuwandeln.
Zu dick: Wenn die Uranschicht zu dick ist, erzeugt sie zu viel Hitze. Stellen Sie sich vor, Sie legen ein riesiges Steak in eine kleine Pfanne; die Pfanne wird so heiß, dass sie vielleicht den Griff schmelzen lässt. In diesem Fall könnte die Hitze das Radium-Target schmelzen und das Experiment ruinieren.

Die Ergebnisse:

Sie simulierten verschiedene Dicken. Sie fanden heraus, dass eine dickere Uranschicht die Produktion beider Medikamente erhöht.
Sie stießen jedoch gegen eine „Schmelzpunkt“-Wand. Wenn die Schicht dicker als 0,04 cm war, wäre die Hitze zu hoch, damit das Radium überleben kann.
Der „Sweet Spot“ (Der ideale Punkt): Sie ermittelten, dass 0,04 cm die perfekte Dicke ist. Sie ist dick genug, um viel Medizin herzustellen, aber dünn genug, um das Target vor dem Schmelzen zu bewahren.

Die Ernte: Das „Melken“ des Medikaments

Sobald die Kapsel für 26 Tage im Reaktor ist, verwandelt sich Radium-226 in Radium-225, welches dann zu Actinium-225 zerfällt.

Die Forscher berechneten einen „Melkplan“ (ähnlich wie das Melken einer Kuh für Milch). Sie fanden heraus, dass sie die höchste Ausbeute erzielen, wenn sie 17,5 Tage warten und dann das Actinium extrahieren (trennen).

Durch die Wiederholung dieses Prozesses 5 Mal konnten sie insgesamt 4,32 GBq (ein Maß für Radioaktivität) an Actinium-225 produzieren.
Dies ist etwa 19 % mehr, als sie erhalten würden, wenn sie die Uranschicht gar nicht verwenden würden.

Der Sicherheitscheck: Die „Geistergase“

Die Forscher untersuchten auch die „Abfälle“ oder Verunreinigungen, die während dieses Prozesses entstehen.

Das Radon-Problem: Eines der Nebenprodukte ist das Gas Radon. Speziell eine Art namens Radon-219. Die Arbeit stellt fest, dass dieses Gas zwar radioaktiv ist, aber so schnell zerfällt (innerhalb von Sekunden), dass es wahrscheinlich nicht weit genug reisen kann, um von Mitarbeitern eingeatmet zu werden, sofern diese Standardmasken tragen.
Das Radon-222-Problem: Eine andere Art von Radon (Radon-222) wird aus dem Radium erzeugt. Dieses ist gefährlicher, da es länger existiert und seine „Tochterprodukte“ Lungenschäden verursachen können, wenn sie eingeatmet werden.
Die Lösung: Die Arbeit legt nahe, dass Standard-Sicherheitsmaßnahmen, wie der Einsatz von Räumen mit Unterdruck (sodass die Luft hinein statt hinaus strömt) und das Tragen von voller Schutzausrüstung, ausreichen, um diese Risiken zu bewältigen.

Das Fazit

Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass es möglich ist, den indonesischen Forschungsreaktor so zu nutzen, dass sowohl das Bildgebungsmedikament (Molybdän-99) als auch das krebsbekämpfende Medikament (Actinium-225) gleichzeitig produziert werden. Durch die Verwendung einer speziell entwickelten Kapsel mit einer 0,04 cm dicken Uranschicht können sie die Produktion des krebsbekämpfenden Actiniums steigern, ohne das Target zu schmelzen oder die Sicherheitsgrenzen des Reaktors zu verletzen.

Was die Arbeit nicht sagt:

Sie behauptet nicht, dass dieses Medikament bereit ist, morgen Patienten zu injiziert zu werden.
Sie diskutiert nicht, wie dies die Kosten für die Krebsbehandlung weltweit senken wird.
Sie konzentriert sich strikt auf die Physik, die Hitzeberechnungen und die Produktionszahlen innerhalb der Reaktorsimulation.

Technische Zusammenfassung: Gleichzeitige Produktion von Molybdän-99 und Actinium-225 unter Verwendung des indonesischen Forschungsreaktors (RSG-GAS)

Problemstellung
Die weltweite Nachfrage nach Technetium-99m ( $^{99m}$ Tc), dem Zerfallsprodukt von Molybdän-99 ( $^{99}$ Mo), macht über 80 % der in der nuklearen Medizin verwendeten Radioisotope für die diagnostische Bildgebung aus. Gleichzeitig steht die Produktion von Actinium-225 ( $^{225}$ Ac), einem vielversprechenden Alpha-Emitter für die gezielte Radionuklidtherapie (TRT), vor erheblichen Versorgungsengpässen. Aktuelle Produktionsmethoden für $^{225}$ Ac stützen sich auf begrenzte Bestände von Thorium-229 oder auf beschleunerbasierte Methoden (Spallation, Transmutation, photonukleare Reaktionen). Diese Studie adressiert die Herausforderung, $^{99}$ Mo und $^{225}$ Ac gleichzeitig in einer thermischen Forschungsreaktorumgebung, spezifisch dem G.A. Siwabessy Forschungsreaktor (RSG-GAS) in Indonesien, zu produzieren, indem bestehende LEU-Elektroplattierungskapseln modifiziert werden.

Methodik
Für die Forschung wurde der OpenMC Monte Carlo-Partikeltransportcode mit der ENDF/B VIII.0 Kern-Datbibliothek verwendet, um den ersten arbeitenden Kern des RSG-GAS zu modellieren. Die Kernkonfiguration besteht aus 12 Brennelementen und 6 Steuerlementen, die U $_3$ O $_8$ in einer Aluminiummatrix mit einer $^{235}$ U-Anreicherung von 19,75 % nutzen.

Eine modifizierte LEU-Elektroplattierungskapsel wurde für die Bestrahlung in der zentralen Bestrahlungsposition (CIP) entworfen. Die Modifikation beinhaltete das Einsetzen eines 1 Gramm schweren Radium-226 ( $^{226}$ Ra)-Targets in die Mitte der Kapsel, umgeben von Heliumgas und einer dünnen Schicht aus LEU. Die Studie hypothetisierte, dass Fissionsreaktionen innerhalb der dünnen LEU-Schicht schnelle Neutronen erzeugen würden, wodurch die $^{226}$ Ra(n,2n) $^{225}$ Ra-Reaktion (Schwellenwert ~6,5 MeV) verstärkt wird, welche anschließend zu $^{225}$ Ac zerfällt.

Die Simulationsparameter umfassten:

Bestrahlung: 26 Tage bei einer konstanten thermischen Leistung von 15 MW.
Abkühlung: 7 Tage nach der Bestrahlung.
Variable: Die Dicke der LEU-Schicht wurde zwischen 0,01 cm und 0,25 cm variiert, um die Auswirkungen auf die Reaktivität, die Leistungsentwicklung, den Neutronenfluss und die Target-Viabilität zu bewerten.
Thermische Analyse: Eine 1D-Fourier-Wärmeleitungsgleichung in Zylinderkoordinaten wurde angewendet, um die Temperaturverteilungen zu berechnen und sicherzustellen, dass das $^{226}$ Ra-Target (Schmelzpunkt 973 K) nicht schmilzt.
Milking-Simulation: Die Produktion von $^{225}$ Ac wurde über 120 Tage modelliert, mit fünf Separation-Zyklen (Milking) alle 17,5 Tage.
Verunreinigungsanalyse: Die Radionuklid-Dichten wurden analysiert, um die Strahlendosis durch Verunreinigungen abzuschätzen, wobei der Fokus speziell auf Radon-Isotopen ( $^{222}$ Rn, $^{219}$ Rn) und Polonium-Nachkommen lag.

Wichtigste Ergebnisse

Neutronik und Reaktivität: Eine zunehmende Dicke der LEU-Schicht korrelierte mit einer höheren Reaktivitätsinsertion und der gesamten Leistungsentwicklung. Bei der maximal getesteten Dicke von 0,25 cm erzeugte die LEU-Schicht etwa 1000 kW mit einer Reaktivitätsinsertion von ~1,13$, was sich den Grenzwerten der Prompt-Kritikalität nähert. Dickere Schichten erzeugten zudem ein „härteres“ Neutronenspektrum, was den Fluss schneller Neutronen erhöhte, die für die (n,2n)-Reaktion günstig sind.
Produktionserträge:
- $^{225}$ Ra: Die Produktion stieg um etwa 68,27 %, als die LEU-Dicke von 0,02 cm auf 0,25 cm erhöht wurde.
- $^{99}$ Mo: Die Produktion stieg bei 0,25 cm um etwa 400 % im Vergleich zu 0,02 cm.
Target-Viabilität: Thermische Berechnungen ergaben, dass LEU-Dicken von 0,04 cm oder mehr dazu führten, dass die Temperatur des $^{226}$ Ra-Targets den Schmelzpunkt (973 K) überschritt. Folglich wurde eine LEU-Dicke von 0, 04 cm als maximale akzeptable Dicke identifiziert, um die Integrität des Targets zu gewährleisten.
Optimierte Produktion: Bei der optimalen Dicke von 0,04 cm erreichte die Gesamtproduktion von $^{225}$ Ac nach fünf Milking-Zyklen 4,32 GBq. Dies entspricht einer Steigerung von 19 % gegenüber einer Kapsel ohne LEU-Schicht und einer Steigerung von 12 % gegenüber einer 0,02 cm dicken LEU-Schicht.
Verunreinigungen: Die Analyse identifizierte $^{219}$ Rn als den Isotop mit der höchsten Inhalationsdosis unter den Radon-Isotopen aufgrund der Erzeugung von $^{227}$ Ac durch $^{226}$ Ra-Bestrahlung, wobei dessen kurze Halbwertszeit das Risiko begrenzt. $^{222}$ Rn und seine Nachkommen ( $^{218}$ Po, $^{214}$ Po) stellen signifikante Lungenkrebsrisiken bei Inhalation dar, was eine strikte Belüftung und Negativdruckkontrollen in den Hot Cells erforderlich macht. Langlebige Beta-Emitter wie $^{227}$ Ac und $^{210}$ Pb wurden als Stoffe identifiziert, die eine sorgfältige Abfallentsorgung erfordern.

Bedeutung und Ansprüche
Das Paper behauptet, dass die vorgeschlagene modifizierte LEU-Elektroplattierungskapsel eine praktikable Methode zur gleichzeitigen Produktion von $^{99}$ Mo und $^{225}$ Ac in einem thermischen Forschungsreaktor bietet. Die Studie zeigt, dass die Nutzung der Fissionsneutronen aus einer dünnen LEU-Schicht die Produktion von $^{225}$ Ac-Vorläufern effektiv steigern kann, ohne die Primärproduktion von $^{99}$ Mo zu beeinträchtigen.

Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass zwar dickere LEU-Schichten höhere Produktionsraten liefern, thermische Einschränkungen jedoch die praktische Anwendung begrenzen. Eine LEU-Dicke von 0,04 cm bietet das optimale Gleichgewicht zwischen der verbesserten $^{225}$ Ac-Produktion (durch einen erhöhten schnellen Neutronenfluss) und der Sicherheit des Targets. Die Forschung legt nahe, dass dieser Ansatz dazu beitragen könnte, den weltweiten Mangel an $^{225}$ Ac zu lindern und gleichzeitig die inländischen $^{99}$ Mo-Versorgungskapazitäten für Indonesien aufrechtzuerhalten. Die Autoren merken an, dass zukünftige Studien die logistische Methode zum Austausch der LEU-Schicht alle 6 Tage behandeln sollten, da $^{99}$ Mo eine kürzere Bestrahlungszeit (6 Tage) erfordert als $^{225}$ Ra (26 Tage).