Nuklearmedizin Gammaquanten statt Neutronen

Die Radiomediziner haben sich gerade erst von ihrem Schock erholt. Als im August letzten Jahres unerwartet der Forschungsreaktor im niederländischen Petten wegen eines Lecks im Kühlkreislauf ausfiel, war nicht nur Holland in Not, sondern die gesamte nuklearmedizinische Versorgung Europas. Denn Petten ist hier die Hauptquelle für Technetium-99, das am häufigsten verwendete medizinische Radionuklid.

Diagnosen mit dem sogenannten metastabilen "Tc-99m" (so die Abkürzung der Kernphysiker) sind heute Standard: In den Patienten gespritzt, lagert sich das künstliche Metall je nach chemischer Verpackung in bestimmten Organen an und strahlt Blitze aus Gammastrahlen aus. Im Tomographen entstehen daraus Bilder von Knochen, Herzen oder Nieren. Allein in Deutschland ordnen Ärzte pro Woche 60 000 solcher Szintigraphien an, oft, um Tumore frühzeitig zu entdecken. Zwar kennen Nuklearmediziner viele andere medizinische Nuklide (siehe "Doktors strahlende Helfer"), aber in 80 Prozent aller Fälle brauchen sie Tc-99m.

Der nächste Ausfall kommt bestimmt

Als im Sommer 2008 die Versorgung zusammenbrach, herrschte erst einmal Chaos. Notfallpläne stellten wenigstens sicher, dass die noch vorhandenen Strahler an diejenigen gelangten, die sie am dringendsten brauchten. Denn Tc-99m ist ein flüchtiges Gut. Ärzte gewinnen es im Krankenhaus als Zerfallsprodukt eines anderen Radionuklids, des Molybdän-99 (Mo-99). Dieses ist es, das in Kernreaktoren wie dem in Petten anfällt. Es zerstrahlt in 66 Stunden auf die Hälfte seines Anfangsbestandes. Bei Tc-99m braucht es dafür gerade sechs Stunden. Auf Vorrat lässt sich da nichts halten. Schaltet der Reaktor ab, ist die medizinische Nutzung kurz darauf kaum mehr möglich.

Seit Februar sprudelt die Pettener Molybdänquelle wieder, die Versorgung läuft auf dem gewohnten Niveau. Doch die Sicherheit trügt. Bald könnte der nächste Ausfall kommen, warnt Thomas Ruth von der Tri-University Meson Facility (Triumf) in Vancouver, dem nationalen Teilchenforschungszentrum Kanadas: "Es wird immer schwieriger, die heutigen Reaktoren in Gang zu halten."

Kein Wunder: Nur fünf Meiler tragen weltweit nennenswert zur Versorgung mit Mo-99 bei, und alle sind technologische Greise. Die Betriebslizenzen laufen um das Jahr 2015 ab - wenn sie nicht vorher von den Kontrolleuren entzogen werden. "Wir brauchen verlässliche Pläne für die Zeit danach", fordert Thomas Ruth. Und hier hat der Kernchemiker einen Plan: Statt in Reaktoren sollte man Molybdän-99 mit einer neuen Generation von Teilchenbeschleunigern erzeugen.

Die Alternative: ein Teilchenbeschleuniger

Bisher ging es nicht ohne Meiler. In der nuklearen Kettenreaktion entstehen Neutronen, die auf mit Uranoxid beschichtete Metallplatten geschossen werden. Dabei spalten sich dort die Urankerne, ein häufiges Bruchstück ist das Molybdän-99. In der kanadischen Alternative sollen nicht mehr Neutronen das Uran zertrümmern, sondern Gammaquanten, also eine Form von Licht extrem hoher Energie. Um die zu erzeugen, braucht man Elektronen, die ein Teilchenbeschleuniger zuvor bis fast auf Lichtgeschwindigkeit gebracht hat.

"Man sollte untersuchen, ob diese Technologie praktikabel und ökonomisch ist", sagt Martin Kalinowski vom Zentrum für Naturwissenschaft und Friedensforschung an der Universität Hamburg. Für ihn hat die neue Methode den Vorteil, kein waffenfähiges Uran zu benötigen. Die bisher verwendeten Zielscheiben enthalten nämlich feinsten Bombenstoff: Sie sind mit über 90 Prozent des Uranisotops U-235 angereichert. "Wenn Terroristen es darauf anlegen, klauen sie das Material", sagt Martin Kalinowski.

Die Reaktoren selbst laufen zwar inzwischen zum Teil nicht mehr mit hoch angereichertem Uran. Der Meiler in Petten etwa stellte den Betrieb 2006 auf Uran mit wenigen Prozent U-235 um, und daraus lassen sich keine Bomben bauen. Doch hoch angereichertes Uran wird weiterhin in den Metallplatten verwendet, die zur Herstellung des Mo-99 mit den Neutronen aus dem Reaktor bombardiert werden - und zwar an allen der großen Produktionsstandorte, obwohl sich Mo-99 auch aus niedrig angereichertem Uran spalten ließe. Doch dann wären die Ausbeuten geringer und die Kosten höher. "Auf dem engen Markt für Radionuklide wagt keiner der wenigen Anbieter, diesen Schritt als Erster zu tun", sagt Martin Kalinowski. "Jeder befürchtet, sofort Marktanteile zu verlieren."

Ein Problem: die Effizienz

Ein Wechsel zur Beschleunigertechnologie könnte alle Uran-Probleme auf einmal lösen. Ein Reaktor wäre nicht mehr nötig, und die Gammaquanten aus dem Beschleuniger würden zwar auch Uran zertrümmern, aber diesmal U-238, den Hauptbestandteil des natürlichen Isotopengemischs. Seine Spaltprodukte sind dieselben wie die des U-235 in den Neutronenzielscheiben. Doch Natururan ist nicht waffentauglich.

Leider hat die Idee der Kanadier einen Haken: Den Elektronenbeschleuniger gibt es erst auf dem Papier, zumindest in der zur Produktion von Mo-99 nötigen Größenordnung. "Ist das überhaupt umsetzbar?", fragt sich darum Clemens Decristoforo, Experte für Nuklearpharmazie in der Europäischen Vereinigung für Nuklearmedizin (EANM). Sein Haupteinwand: Selbst wenn die Teilchenschleudern funktionieren sollten wie geplant, produzierten sie wesentlich weniger Mo-99 als jeder einzelne Reaktor weltweit.

Der Grund ist physikalischer Natur: Die Wahrscheinlichkeit, mit einem Gammaquant aus dem Beschleuniger einen Kern des Uran-238 zu spalten, ist um ein Tausendstel geringer als die einer Spaltung von U-235 mit einem Reaktor-Neutron. Um die gleiche Menge Molybdän-Nuklide herzustellen wie heute, brauchte man darum extrem viele Gammaquanten. Das heißt: Die neuen Elektronenkanonen müssten schießen, was das Zeug hält. Tatsächlich gibt es in den Tunnels der Teilchenphysiker weltweit noch keinen Beschleuniger, der so viele Elektronen auf einmal herauspustet. Eine solche Maschine wäre technologisches Neuland.

Werben für den Prototyp

Auf das wagt man sich am Triumf ohne Sorge. An mehreren Standorten auf den Kontinenten, so die Idee, sollten Produktionsanlagen mit gleich mehreren der Hochleistungsbeschleuniger stehen, um den Weltbedarf an medizinischem Molybdän zu decken. Ein ambitioniertes Projekt, aber kein unmögliches, glaubt Dieter Proch, Beschleunigerexperte am Hamburger Teilchenforschungszentrum Desy: "Einzeln sind die nötigen Bauteile so einer Maschine alle ausreichend getestet."

Man wisse inzwischen sehr genau, wie man eine 30 Meter lange Röhre, in der die Elektronen fliegen sollen, fast völlig luftleer pumpt und gleichzeitig auf vier Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlt. Das ist nötig, damit die elektrischen Felder, welche die geladenen Teilchen in Schwung bringen, supraleitend betrieben werden können, das heißt ohne Stromverlust in der Leitung. Allerdings: Zu einem Superbeschleuniger mit der am Triumf angepeilten Leistung habe diese Teile noch niemand zusammengebaut.

Die Kanadier wollen es in fünf Jahren schaffen. Bis dann soll ein Prototyp laufen - vorausgesetzt, die Finanzierung gelingt. Gerade das könnte zum Problem werden, glaubt Clemens Decristoforo von der EANM: "Für so eine Entwicklung muss man schon gehörig viel Geld in die Hand nehmen." Zudem verschlängen die Superbeschleuniger jede Menge Strom. Auch der Betrieb würde also nicht gerade billig.

Die Industrie zieht mit

Thomas Ruth glaubt hingegen, dass Beschleuniger dauerhaft preiswerter seien als Reaktoren. Die leisteten zwar mehr, ein Meiler koste aber bis zu eine Milliarde Dollar - plus kostenintensive Entsorgung des Reaktormülls und der Anlage am Ende ihrer Lebenszeit. Für rund 100 Millionen Dollar hingegen lasse sich ein Beschleuniger bauen, der etwa fünf Prozent des Weltbedarfs deckt.

Vielleicht sind diese Kosten sogar noch überschätzt. Denn in der Kalkulation ist eine Massenproduktion der Beschleunigerteile noch nicht enthalten. Die läuft aber bereits an. "Die Industrie ist schon an Bord", sagt Dieter Proch vom Desy, das gerade für eine 3,4 Kilometer lange Beschleunigeranlage namens XFEL die nötigen Maschinenkomponenten in Auftrag gibt. Vom anspruchsvollsten Bauteil, supraleitenden Hochfrequenzröhren aus reinem Niob, sind bei der Industrie knapp tausend Stück bestellt. Eine Anlage vom Triumf-Typ braucht gerade mal zehn bis 20 davon. So könnte die Medizin von jahrzehntelanger Technologieentwicklung in der Grundlagenforschung profitieren.

Skepsis bei der IAEA

Dass die kanadische Regierung bereits Unterstützung für die Forscher im eigenen Land signalisiert, wundert wenig. Ihr geht es auch um Standortförderung. In den Vereinigten Staaten hat die neue Technologie allerdings ebenfalls einen guten Stand. In einem Bericht der National Academy of Sciences über Isotopenproduktion ohne waffenfähiges Uran wird explizit empfohlen, die Möglichkeiten der Superbeschleuniger weiter auszuloten.

Bei der Internationalen Atomenergiebehörde IAEA ist man allerdings skeptisch. Zwar wolle man hoch angereichertes Uran aus dem Verkehr ziehen, und dabei könne so ein Beschleuniger helfen, heißt es in Wien. Doch dort bezweifelt man, dass irgendein Staat genug Geld und Risikobereitschaft aufbringen wird, um die Nuklidversorgung auf neue Füße zu stellen. Bisher seien die Staaten sehr zurückhaltend gewesen.

Doch das wird zumindest finanziell schon bald nicht mehr möglich sein. Die existierenden Reaktoren kränkeln, bald müssen sie ersetzt werden. Und dann sind ohnehin gewaltige Investitionen fällig. Momentan will daran nur niemand denken. Petten läuft ja. Bis zum nächsten Versorgungsschock.