kernenergie staat onder druk, omwille van de gevaren verbonden aan de verouderde types kernreactoren en omwille van het afval dat geproduceerd wordt bij de huidige aanmaak van dit type energie. in vlaanderen wordt hard gewerkt aan oplossingen. zo komt er een kernreactor die gemakkelijk afgezet kan worden, zodat hij niet doorbrandt wanneer het niet nodig is, en die het oude kernafval hergebruikt. een groot voordeel van deze nieuwe kernreactor is ook dat hij gebruikt kan worden om erg interessant onderzoek aan te drijven in de deeltjesfysica, net als de large hadron collider in zwitserland, én dat hij interessante radioactieve stoffen kan produceren voor toepassingen in de geneeskunde.

MYRRHA: nieuwe kansen voor fundamenteel nucleair onderzoek en nucleaire geneeskunde

Thomas Cocolios

Myrrha of Commiphora Myrrha is bij de meeste mensen bekend als de plant die het kindje Jezus in de Bijbel cadeau krijgt van de drie wijzen uit het Oosten. In de wereld van de kernfysica is MYRRHA echter gekend als de Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications, of multifunctionele hybride onderzoeksreactor voor hoogtechnologische toepassingen.

MYRRHA is een groot project van het Studiecentrum voor Kernenergie (SCK·CEN) in Mol, waar onderzoek wordt gevoerd naar een zogenaamde ADS-reactor die aangedreven wordt door een deeltjesversneller (ADS staat voor Accelerator-Driven System). Het idee achter de ADS-reactor, ten opzichte van de gebruikelijke reactoren, is dat de reactor niet vanzelf kan blijven branden: de kernreacties in de kern van een ADS-reactor produceren te weinig deeltjes om de reacties gaande te houden. Daarom is een externe bron nodig, een zogenaamde versneller. Zo’n reactor noemt men subkritisch, terwijl een kritische reactor vanzelf blijft branden zonder die extra middelen.

Maar waarom toch zouden we het zo ingewikkeld maken? Ten eerste omdat het kan, antwoordt de onderzoeker! Ten tweede is er de kwestie van de veiligheid. Een subkritische ADS-reactor kan nooit vanzelf uitlopen of ontploffen (superkritisch worden). Als de reactor afgezet moet worden, is het uitschakelen van de versneller voldoende om alles op een veilige manier te laten uitdoven. Bovendien hoeft men ook niet met verrijkt uranium te werken; men kan integendeel met onzuivere brandstoffen werken, zoals kernafval. Daar ligt een van de meest interessante toepassingen van een ADS-reactor: de mogelijkheid om, door middel van verdere verbranding, kernafval dat miljoenen jaren radioactief blijft te reduceren tot afval met halfwaardetijden van ‘slechts’ enkele eeuwen. De halfwaardetijd is de tijd die nodig is tot een radioactief deeltje vervalt en onschadelijk wordt.

Er werd al heel wat onderzoek verricht om het originele ontwerp van een ADS-reactor door Nobelprijswinnaar Carlo Rubbia uit 1995 om te vormen tot het huidige design, zoals nu voorgesteld wordt door SCK·CEN. De rol en de eigenschappen van de versneller en van de reactor werden grondig geëvalueerd opdat hun pijnpunten en sterktes geïdentificeerd konden worden. Om de veiligheid van de reactor en de controle over de kernreactie te garanderen moet de versneller hyperstabiel blijven. Zo mag de versneller niet vaker dan tien keer per drie maanden meer dan drie seconden stoppen. Een dergelijke betrouwbare versneller bestaat (nog) niet, maar denk maar eens na wat ermee gedaan zou kunnen worden…

Het originele ontwerp van een ADS-reactor door Nobelprijswinnaar Carlo Rubbia, uit 1995, werd omgevormd tot het huidige design

Om de reactor nog verder te kunnen testen en de veiligheid te garanderen, moet bovendien de kritische toestand van de reactor zorgvuldig nagekeken worden. Dit doet men door de versneller tien keer per seconde een fractie van de tijd (ongeveer 1 %) af te zetten. Natuurlijk kan je zo’n versneller niet zo snel aan- en uitzetten. Daarom wordt de versnelde bundel op dat moment gewoon anders gericht, zodat de reactor niet wordt bestraald. Het was Piet Van Duppen, professor aan het Instituut voor Kern- en Stralingsfysica (IKS) van de KU Leuven, die met een bijzonder goed idee kwam: wat als we die 1 %-bundel rechtstreeks naar een stuk uranium schieten? Zo ontstond het idee van ISOL@MYRRHA.

ISOL betekent IsotoopScheiding OnLine. Door het afschieten van deeltjes naar een trefschijf van uranium of andere stoffen (metaalfolies, vloeibaar metaal, carbiden, oxides…) worden kernreacties opgezet, die ervoor zorgen dat duizenden verschillende radioactieve elementen geproduceerd worden. Het merendeel daarvan is kortlevend, soms met een levensduur van minder dan één seconde. Toch zijn die elementen van belang om de structuur van de kern te bestuderen, of om de nucleosynthese van de elementen in het heelal en de levenscyclus van de sterren beter te begrijpen. Om die radioactieve elementen te bestuderen, kunnen geen gewone scheikundige technieken gebruikt worden, aangezien die te traag zijn. In plaats daarvan worden fysische processen gebruikt die toelaten om de radioactieve elementen heel snel uit de trefschijf te halen bij een hoge temperatuur (2 000°C). Vervolgens worden de elementen door zowel ionisatie als elektrische en magnetische velden van elkaar gescheiden om een zo zuiver mogelijk staal van een bepaald radioactief element te maken voor verder onderzoek. Een dergelijk systeem bestaat al meer dan 50 jaar aan het CERN en heet ISOLDE (ISOL DEvice). Daar voeren onderzoekers van het IKS regelmatig hun studies uit en wordt de techniek verder ontwikkeld.

Nu volgt de cruciale vraag: wat als we hier, in België, onze eigen ISOL-machine laten bouwen als deel van het MYRRHA-project? Welke extra mogelijkheden zou dit systeem bieden? Wat zou de meerwaarde daarvan kunnen zijn? Dit is een denkoefening die de hele Belgische gemeenschap rond atomaire en kernfysica in de laatste jaren heeft uitgevoerd via het BriX-project (Belgian Research Initiative for eXotic nuclei), in het kader van de Belspo-IUAP-programma’s.

Dankzij deze studie is het nu duidelijk wat de grootste sterkte van ISOL@MYRRHA zou zijn: de voorgestelde betrouwbaarheid van de toekomstige versneller. Met een aangepaste trefschijf en ionenbron zou ISOL@MYRRHA maandenlang kunnen blijven draaien, terwijl de bestaande opstellingen, zoals ISOLDE in CERN, nooit meer dan twaalf dagen radioactieve isotopen kunnen aanbieden. Deze nieuwe opstelling zou dan vooral van pas komen bij experimenten waar lange meettijden nodig zijn, om systematische onzekerheden te beperken, en om heel zwakke interacties te bestuderen. Het wetenschappelijke programma van ISOL@MYRRHA zou omwille van de enorme stabiliteit complementair zijn aan wat er aan het CERN via ISOLDE wordt onderzocht, ondanks de gelijkenissen tussen de gebruikte technieken.

Hoe exotischer het proces, hoe minder het voorkomt, maar hoe interessanter de gevolgen

Laat ons bijvoorbeeld naar het bètaverval kijken. Dit proces is relatief goed gekend: een radioactieve kern vervalt door het veranderen van een neutron in een proton, met de emissie van een elektron – het bètadeeltje – en een neutrino om typisch een minder radioactieve kern te produceren. Er kunnen weliswaar ook meer exotische processen plaatsvinden, zoals bètaverval gevolgd door neutronemissie of door kernsplijting van de dochterkern. Dan spreekt men van bèta-vertraagde neutronemissie (βn) of bèta-vertraagde kernsplijting (βdf). Die processen zijn vrij zeldzaam, maar kunnen toch grote gevolgen hebben. Hoe exotischer het proces, hoe minder het voorkomt, maar hoe interessanter die gevolgen. Een rechtstreeks effect van die bètaprocessen is dat er extra energie vrijkomt; deze is deels te vinden in het kernafval dat achterblijft en mag niet onderschat worden. Een dieper begrip van die processen is dus belangrijk om de evolutie van ons kernafval zo nauwkeurig mogelijk te kunnen voorspellen. Diezelfde radioactieve kernen zijn bovendien betrokken in de nucleosynthese in het heelal: de productie van zware elementen tijdens de fusie van twee neutronsterren. Die exotische processen veranderen de relatieve hoeveelheid elementen tijdens dergelijke kosmische botsingen, met gevolgen voor de mogelijke kernreacties en de finale balans van zware elementen in het heelal. Stéphane Goriely, kernastrofysicus aan de Université Libre de Bruxelles, noemt het begrip van exotische processen rond het bètaverval, namelijk βn en βdf, een van de grootste dilemma’s van de nucleosynthese om de waargenomen balans van zware elementen in het heelal met de theorie van hun productie te verzoenen.

Een ander interessant aspect van de studie van bètaverval met ISOL@MYRRHA ligt in het domein van de fundamentele interacties tussen deeltjes. Deze worden beschreven door het Standaardmodel van de deeltjesfysica. Volgens dit Standaardmodel, dat alle interacties tussen bekende deeltjes beschrijft, wordt het bètaverval bepaald door de zwakke kernkracht. A priori kan die zwakke kernkracht via verschillende types interacties haar werk doen: via vectorkoppeling, axiale koppeling, scalaire koppeling en tensorkoppeling. De regels van het Standaardmodel bepalen dat die koppelingen niet allemaal gelijktijdig worden toegelaten, maar eerder op een selectieve manier opereren. Als experimenten in ISOL@MYRRHA zouden wijzen op het bestaan van een onverwachte koppeling, dan zou dit meteen een aanwijzing zijn dat er krachten of interacties bestaan die niet vervat zitten in het Standaardmodel. Dat zou een werkelijk opzienbarende ontdekking zijn. De studies in ISOL@MYRRHA zijn op die manier complementair aan de hoge-energiestudie van het CERN met behulp van de Large Hadron Collider, de grootste deeltjesversneller ter wereld, waarmee men eveneens de rafelranden van het Standaardmodel exploreert.

Vorig jaar werd bekendgemaakt dat de Belgische Federale Regering Fase 1 van MYRRHA zou financieren, wat bijzonder goed nieuws is voor het project. Maar wat betekent deze eerste fase? Het MYRRHA-project in zijn geheel is heel uitdagend. Er zijn veel onzekerheden, zoals de stabiliteit van de versneller of de duurzaamheid van verschillende componenten van de reactor, die in een bad van gesmolten lood en bismut ligt. Bovendien is de prijs van zo’n groot project bijzonder hoog (meer dan 1,5 miljard euro) en brengt het te veel risico’s met zich mee om onmiddellijk als één geheel te realiseren. Daarom werd er enkele jaren geleden voor geopteerd om het project te faseren, waarbij de eerste onderdelen van de versneller al gemaakt zouden worden, terwijl de materialen voor de reactor verder worden bestudeerd.

In de komende jaren zal er dus al een versneller in het SCK·CEN komen. De componenten daarvan worden nu in het cyclotron-onderzoekscentrum in Louvain-La-Neuve getest en samengesteld. Binnen enkele jaren zullen ze naar Mol verhuizen, waar het ISOL-onderzoek zal kunnen beginnen in een nieuw op te starten instelling. Gedurende de eerste fase zal de energie van de versneller beperkt blijven tot 100 MeV, één zesde van de totale energie voorzien voor de finale versneller. De lagere energie van de versneller ten opzichte van de beoogde energie in het finale ontwerp van ISOL@MYRRHA heeft natuurlijk gevolgen: zo zullen niet alle kernreacties mogelijk zijn en de geproduceerde radioactieve elementen zullen minder exotisch zijn, wat minder aantrekkelijk kan lijken voor fundamenteel onderzoek. Maar zoals Rome ook niet op één dag werd gebouwd, zal ISOL@MYRRHA tijd nodig hebben om op volle kracht te kunnen draaien.

Met 100 MeV deeltjes zal ISOL@MYRRHA toch de meest krachtige ISOL-machine ter wereld zijn. Dat brengt extra uitdagingen met zich mee voor het gebruik van de machine zelf, zoals de langdurige bestraling van de trefschijf of het zware gebruik van de ionenbron. Die verschillende aspecten worden al onderzocht in een samenwerking tussen SCK·CEN en IKS, maar ook samen met internationale partners die ervaring hebben met de ISOL-techniek, zoals de ISOLDE-instelling in CERN, of ISAC in TRIUMF (Vancouver, Canada). Die nieuwe ontwikkelingen zullen op tijd klaar moeten zijn voor de voorlopig vooropgestelde start van ISOL@MYRRHA in het jaar 2027.

Die 100 MeV deeltjes zullen krachtig genoeg zijn om zware elementen zoals uranium te splijten. Via dat type reactie worden erg veel exotische kernen geproduceerd, die gebruikt kunnen worden in een deel van het onderzoeksprogramma. Deze fase zal cruciaal zijn voor de verdere ontwikkeling van het project om de productie en stabiliteit van de instelling te bewijzen, evenals de nieuwe experimentele opstellingen die voor de metingen ontwikkeld zullen moeten worden. Er zullen de komende jaren zeker meerdere doctoraatsstudenten aan het werk gesteld worden om dat allemaal voor elkaar te krijgen.

ISOL@MYRRHA kan ook gebruikt worden om radio-isotopen te produceren voor medische toepassingen

Naast dit luik van fundamenteel onderzoek is er nog een andere opvallende kant aan ISOL@MYRRHA. De machine kan namelijk ook gebruikt worden om radio-isotopen te produceren voor medische toepassingen. Radio-isotopen worden vooral gebruikt bij medische beeldvorming voor SPECT- (Single Photon Emission Computed Tomography) en PET-scans (Positron Emission Tomography). Bij beide technieken worden radio-isotopen aan een biomolecule verbonden en in het lichaam ingespoten. Die biomolecule volgt haar eigen pad door het lichaam, naargelang van haar specifieke biologische functie (suiker wordt bijvoorbeeld door heel actieve cellen gebruikt, zoals in de hersenen) of volgens specifieke receptoren op lichaamscellen (zoals antilichamen aan de oppervlakte van kankercellen), tot ze door een cel wordt opgenomen. Daar vervalt de radio-isotoop, waarbij er fotonen vrijkomen, die vervolgens door camera’s geregistreerd kunnen worden om de eindpositie van de biomolecule te bepalen. Door het vervangen van een gamma-stralende soort radio-isotoop door een bèta- of alfa-vervallende radio-isotoop kan men gebruikmaken van de kracht van die bèta- of alfadeeltjes om cellen selectief te vernietigen, zoals kankercellen. De combinatie van diagnose met gammastraling en therapie met bèta- of alfastraling heet theranostics. Dit is een veelbelovende onderzoeksrichting voor de behandeling van verspreide kankers die tot nu toe enkel met chemotherapie behandeld kunnen worden. De Vlaamse universitaire ziekenhuizen voeren volop onderzoek naar het gebruik van deze techniek bij kankerbehandeling. Zo concentreert het UZ Leuven zich op neuro-endocriene kankers, het UZ Brussel op borstkankers en het UZ Gent op prostaatkankers.

Jammer genoeg ontbreekt er bij hun radio-farmaceutische ontwikkelingen meestal een belangrijke component: een geschikte radio-isotoop met de juiste straling, de juiste halfwaardetijd, en de juiste chemie. Er zijn vandaag maar een tiental radio-isotopen die door ziekenhuizen worden gebruikt. Met alle nieuwe mogelijke toepassingen van radio-isotopen is het haast ondenkbaar dat er geen andere, meer geschikte radio-isotopen zijn. Deze worden echter niet gebruikt in de onderzoeksketen, want ze worden niet geproduceerd. Als gevolg hiervan worden ze niet verder onderzocht en komt er geen afzetmarkt op gang vanuit de onderzoekswereld, waardoor niemand ze begint te produceren. Een vicieuze cirkel.

Om die cyclus te doorbreken hebben we een instelling nodig waar een grote catalogus aan radio-isotopen beschikbaar zal zijn. Hiervoor komt ISOL@MYRRHA in aanmerking. De ISOL-techniek zal toelaten om honderden nieuwe radio-isotopen te genereren. Natuurlijk bestaan er al andere ISOL-instellingen ter wereld: aan het CERN werd daarvoor bijvoorbeeld de MEDICIS-instelling (MEDical Isotopes Collected from ISolde) ontwikkeld. Maar met de beperkte kracht van de CERN-versneller voor radio-isotoopproductie worden er maar kleine hoeveelheden radio-isotopen voor medische toepassingen geproduceerd. Dit volstaat voor preklinisch onderzoek, maar is onvoldoende voor grotere klinische studies of de behandeling van patiënten op regelmatige basis.

Het SCK·CEN heeft deze problematiek geïdentificeerd en heeft daarvoor een nieuw instituut opgericht: NURA (NUclear Research and Applications). Deze zogenoemde medische campus van het SCK·CEN zal onderzoekers bijeenbrengen die werkzaam zijn in verschillende domeinen, zoals radio-isotoopproductie, chemische zuivering, radio-farmacasynthese en preklinische studies. In deze deelgebieden is men al begonnen met het onderzoek in afwachting van de radio-isotopen van ISOL@MYRRHA. Het SCK·CEN kan hierbij natuurlijk al gebruikmaken van zijn eigen radio-isotoopproductie door de BR2-kernreactor.

Van het originele concept van Carlo Rubbia tot aan het MYRRHA-project zoals het nu wordt voorgesteld is al veel gewerkt en onderzoek verricht. Het project is ook een bron van inspiratie geweest buiten de kernreactorgemeenschap, en van daaruit is ISOL@MYRRHA ontstaan. Gedurende de eerste fase van het project zullen er al radio-isotopen worden geproduceerd voor fundamenteel onderzoek naar grote vragen van de moderne natuurkunde, zoals fysica buiten het Standaardmodel of de nucleosynthese van de zware elementen in het heelal. Bovendien zullen er nieuwe radio-isotopen geproduceerd worden met belang voor theranostics-onderzoek in samenwerking met de Vlaamse universitaire ziekenhuizen. We zijn nu allemaal benieuwd naar wat de toekomst ons zal leren.

Thomas Cocolios is docent aan het Instituut voor Kern- en Stralingsfysica aan de KU Leuven en lid van het CERN MEDICIS Board. Zijn onderzoek spitst zich toe op de productie en zuivering van radio-isotopen met behulp van laserionisatie, een techniek die onder meer gebruikt wordt voor fundamenteel onderzoek naar de structuur van de atoomkern en voor de productie van radio-isotopen voor medische toepassingen.