Un nuevo proceso de separación de un agente clave para el radiodiagnóstico reduce los residuos radiactivos
Menos residuos de los objetivos de uranio menos enriquecido
La medicina nuclear utiliza el tecnecio-99m, entre otras cosas, para el diagnóstico de tumores. Con más de 30 millones de aplicaciones anuales en todo el mundo, es el radioisótopo más utilizado. El material precursor, el molibdeno-99, se produce principalmente en reactores de investigación. Un estudio realizado en la Fuente de Neutrones de Investigación Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) muestra ahora las opciones para reducir significativamente los residuos radiactivos producidos durante su transformación en un producto médico.
El Dr. Tobias Chemnitz en las instalaciones de prueba para la producción de Mo-99 en FRM II, en el campus de investigación de Garching de la Universidad Técnica de Múnich (TUM).
© Reiner Müller, FRM II / TUM
Más del 85% de los exámenes de diagnóstico de medicina nuclear utilizan tecnecio-99m (Tc-99m). Sólo en Alemania se emplean más de 3 millones de dosis al año. Acoplado a moléculas orgánicas adecuadas, el tecnecio se distribuye por todo el cuerpo a través de la sangre y se acumula, por ejemplo, en los tumores. Cuando se descompone allí, la radiación liberada revela la ubicación precisa del tumor.
El tecnecio-99m se produce irradiando placas de uranio, los llamados blancos, con un alto flujo de neutrones que prácticamente sólo está disponible en los reactores de investigación. Inicialmente, a partir del uranio 235 se produce molibdeno-99 (Mo-99), que decae a Tc-99m con una vida media de 66 horas. Con una vida media de seis horas, este último se convierte en Tc-99, emitiendo una radiación gamma que puede medirse.
Más residuos de uranio poco enriquecido
El impulso político para sustituir el uranio altamente enriquecido por uranio poco enriquecido también se aplica a los objetivos que se utilizan en el ámbito médico. Por ello, la instalación de irradiación de Mo-99 que se está construyendo en FRM II está diseñada para objetivos con uranio poco enriquecido.
"Sin embargo, esto plantea un grave problema: cuanto menos enriquecidas estén las placas de uranio con uranio 235, menor será el rendimiento específico del Mo-99 durante la irradiación", afirma el Dr. Tobias Chemnitz, científico de instrumentos de la instalación de irradiación médica MEDAPP en FRM II.
Para satisfacer la demanda mundial de Tc-99m, hay que irradiar y procesar al menos el doble de placas de uranio, dependiendo de la tecnología utilizada. Esto produce volúmenes de residuos correspondientemente mayores. Chemnitz abordó este problema en su tesis doctoral en la Universidad Técnica de Múnich.
El nuevo proceso evita hasta 15.000 litros de residuos radiactivos líquidos
Las placas finales irradiadas contienen sólo un 0,1% de Mo-99. Para garantizar una pureza suficiente para las aplicaciones médicas, el Mo-99 debe separarse cuidadosamente del resto del material.
Actualmente se utilizan dos procesos estándar, basados en un proceso ácido y uno alcalino, respectivamente. En la variante alcalina, todo el blanco se trata inicialmente con sosa cáustica. En el proceso, el Mo-99 se disuelve preferentemente, mientras que el uranio es insoluble en esta solución y permanece como sólido. A continuación, los productos de fisión residuales se separan de la solución acuosa en un elaborado proceso de separación química.
Al sustituir los blancos altamente enriquecidos por blancos poco enriquecidos, el mismo rendimiento de molibdeno duplica los residuos radiactivos acuosos de nivel medio resultantes hasta un volumen anual de hasta 15.000 litros en todo el mundo, que además tienen que ser cementados para ser aptos para su eliminación final, por lo que al final se producen residuos radiactivos con un volumen de 375.000 litros cada año.
La solución: Deshacerse del agua
Para paliar este problema, Chemnitz y su colega Riane Stene desarrollaron un nuevo método para extraer el Mo-99 sin recurrir a la química acuosa.
En colaboración con el grupo de química del flúor de la Universidad Philipps de Marburgo, los investigadores desarrollaron un sistema en el que las placas de prueba de uranio-molibdeno reaccionan con trifluoruro de nitrógeno en un plasma. Estas placas tenían el mismo contenido de molibdeno que posteriormente estaría presente en los blancos irradiados reales.
Finalmente, separaron el exceso de uranio del molibdeno mediante una reacción controlada por la luz. La separación de los dos elementos de esta manera es tan eficaz como el tratamiento con hidróxido de sodio realizado en el primer paso del procedimiento de reprocesamiento convencional, con la notable excepción de que no produce residuos acuosos.
Sólo seis grandes reactores de investigación producen molibdeno-99
"Actualmente, seis grandes instalaciones de irradiación en todo el mundo producen Mo-99. De estos reactores de investigación, cuatro tienen más de 40 años, lo que conlleva reparaciones imprevistas y paradas asociadas, como ya ha ocurrido en el pasado reciente. Por eso estamos orgullosos de que el FRM II, junto con el reactor francés Jules-Horowitz, pueda garantizar la demanda europea de Mo-99 en el futuro", afirma Tobias Chemnitz.
La TUM ha presentado una solicitud de patente para el proceso. A pesar de que todavía es necesario un mayor trabajo de desarrollo, Chemnitz confía en que este novedoso enfoque proporcionará una alternativa viable a los procesos establecidos a medio plazo.
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Publicación original
T. Chemnitz, Development of a dry-chemical extraction process for 99Mo and plasma-aided synthesis of transition metal hexafluorides. Dissertation, München, 2020.
R. E. Stene, Development of Dry and Non-Aqueous Techniques for the Separation of Molybdenum from Uranium and Investigations of Group Six Metal Fluoride and Oxyfluoride Chemistry. Dissertation, München, 2020.
Reductive photo-chemical separation of the hexafluorides of uranium and molybdenum, Journal of Fluorine Chemistry, Vol. 240, December 2020, 109655.
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