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Neues Trennverfahren: Weniger radioaktiver Abfall

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Autor: Isabell Hochstrat

Neues Trennverfahren: Weniger radioaktiver Abfall
Ein Uran-Molybdän-Testtarget während der Fluorierung mit Stickstoff-Trifluorid, verdünnt mit Argon.

Eine Studie an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München (TUM) behandelt ein neuartiges Verfahren zur Extraktion von Molybdän-99. Im Gegensatz zum bisherigen Verfahren kommt es dabei ohne den Einsatz wässriger Chemie aus, so dass radioaktiver Müll signifikant reduziert werden könnte.

Molybdän-99 als Ausgangsstoff für Technetium-99m

Über 85 Prozent aller nuklearmedizinisch-diagnostischen Untersuchungen nutzen Technetium-99m (Tc-99m) zur Tumordiagnostik: Gekoppelt an geeignete organische Moleküle wird das Technetium vom Blut im Körper verteilt und reichert sich beispielsweise in Tumoren an. Wenn es dort zerfällt, verrät die freigesetzte Strahlung die genaue Position des Tumors. Hergestellt wird Technetium-99m, indem Uranplättchen (Targets) mit einem hohen Neutronenfluss bestrahlt werden, wie er praktisch nur an Forschungsreaktoren verfügbar ist. Zunächst entsteht so aus Uran-235 das Element Molybdän-99 (Mo-99), das mit einer Halbwertszeit von 66 Stunden zu Tc-99m zerfällt. Mit einer Halbwertszeit von sechs Stunden wandelt sich letzteres in Technetium-99 um und setzt dabei die für die Diagnostik benötigte Gammastrahlung frei.

Bestrahlungsanlage für niedrig angereichertes Uran

Auch im medizinischen Bereich fordern aktuelle politische Bestrebungen das Ersetzen von hoch- durch niedrig angereichertes Uran. Am FRM II wird deshalb die im Bau befindliche Mo-99 Bestrahlungsanlage für Targets mit niedrig angereichertem Uran konzipiert. „Dabei ergibt sich allerdings ein gravierendes Problem: Je geringer die Uranplättchen angereichert sind, desto geringer ist auch die spezifische Ausbeute an Mo-99 bei der Bestrahlung“, so Dr. Tobias Chemnitz, Instrumentverantwortlicher bei der medizinischen Bestrahlungsanlage MEDAPP am FRM II. Um den Weltbedarf an Tc-99m decken zu können, müssen je nach eingesetzter Technik mindestens doppelt so viele Uranplättchen bestrahlt und verarbeitet werden, wodurch auch ein entsprechend höheres Abfallvolumen anfällt. Deshalb hat sich Chemnitz in seiner Doktorarbeit an der Technischen Universität München mit dem Problem beschäftigt.

Flüssigen radioaktiven Müll vermeiden

Im fertig bestrahlten Plättchen ist Mo-99 nur zu etwa 0,1 Prozent enthalten. Damit es ausreichend rein für medizinische Anwendungen ist, muss es sorgfältig vom restlichen Material getrennt werden. Dafür existieren derzeit zwei gebräuchliche Standardverfahren auf Basis eines sauren und eines alkalischen Prozesses. Bei der alkalischen Variante wird das gesamte Target zunächst mit Natronlauge behandelt. Dabei geht Mo-99 bevorzugt in Lösung – Uran hingegen ist hierin unlöslich und verbleibt als Feststoff. Die Abtrennung der verbleibenden Spaltprodukte aus der wässrigen Lösung geschieht dann durch aufwändige chemische Trennverfahren.

Werden nun niedrigangereicherte statt hochangereicherter Targets verwendet, verdoppelt sich bei gleicher Molybdänausbeute das Volumen der entstehenden radioaktiven Abfälle auf ein jährliches Volumen von bis zu 15.000 Litern wässrigem, mittelradioaktivem Abfall. Dieser muss noch zementiert werden, um endlagerfähig zu sein. So entsteht im Rahmen der Produktion von Mo-99 am Ende weltweit radioaktiver Müll mit einem Volumen von 375.000 Litern pro Jahr.

Die Lösung: Wasser weglassen

Um dieser Problematik entgegen zu wirken, entwickelten Chemnitz und seine Kollegin Riane Stene ein neues Verfahren zur Extraktion von Mo-99 ohne den Einsatz wässriger Chemie. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Fluorchemie der Philipps Universität Marburg entwickelten sie eine Anlage, in der sie Uran-Molybdän-Testplättchen in einem Plasma mit Stickstoff-Trifluorid zur Reaktion brachten. Die Plättchen wiesen dabei bereits denselben Molybdängehalt auf, wie er auch in tatsächlich bestrahlten Targets vorliegen würde. Anschließend trennten sie über eine lichtgesteuerte Reaktion das unerwünschte, überschüssige Uran vom Molybdän. Die Trennung der beiden Elemente ist dabei ähnlich effizient wie die oben beschriebene nasschemische Abtrennung, produziert aber im Gegensatz dazu keinen wässrigen Abfall.

Eine nachhaltige Alternative

„Wir sind stolz darauf, dass wir hier am FRM II zusammen mit dem französischen Reaktor Jules-Horowitz zukünftig in der Lage sein werden, den europäischen Bedarf an Mo-99 sicherzustellen“, so Dr. Chemnitz. Die TUM hat das Verfahren zum Patent angemeldet. Auch wenn noch weitere Entwicklungsarbeiten notwendig sind, ist Chemnitz zuversichtlich, dass es mittelfristig eine nachhaltige Alternative zu den etablierten Verfahren darstellen wird.

Weitere Informationen zur Produktion von medizinischem Technetium-99m hier.

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