Beteiligte Einrichtungen:

[1] FH Aachen - University of Applied Sciences - Fachbereich 10 - Energietechnik

[2] Forschungszentrum Jülich GmbH - Jülich Centre for Neutron Science (JCNS)

Designkonzept für einen TMR zur Herstellung von ⁹⁹Mo-Isotopen und deren Handhabung und Transport

• Entwicklung eines Konzepts für die ⁹⁹Mo-Produktion, sowie Simulation zur Verifizierung von Bestrahlungsverfahren und Benchmarking des Neutronenmoderator- und Reflektorsystems.
• Entwicklung und Validierung eines Hochleistungs-Neutronentargets.
• Entwicklung eines automatischen Handling- und Transportsystems für ⁹⁹Mo-bestrahlte Proben.

Die kernphysikalischen Reaktionen ⁹⁸Mo(n,γ) zur Produktion von ⁹⁹Mo ist gut untersucht. Der thermische ⁹⁸Mo Wirkungsquerschnitt beträgt laut ENDF Datenbank 136(7) mb, während für das Resonanzintegral im epithermischen Bereich 7(1) b gemessen wurde. Aktuellere Messungen bestätigen diese Wirkungsquerschnitte.

Um die finale Produktionsrate von ⁹⁹Mo zu bestimmen und zu optimieren, wird der Wirkungsquerschnitt der ⁹⁸Mo(n,γ) zusammen mit dem Energiespektrum der erzeugten und moderierten Neutronen am HBS Target betrachtet. Hierzu sind detaillierte Simulationen notwendig.

Im Falle eines natürlichen Molybdäntargets müssen für die spätere Bearbeitung der Produkte auch die entsprechenden Neutronenabsorptions-Wirkungsquerschnitte der ^92,94-98,100Mo beachtet werden. Diese sind gut bekannt und die entsprechenden Simulationsdatenbanken werden in einem ersten Schritt auch Aktualität überprüft.

Die Erzeugung einer ausreichenden Menge ⁹⁹Mo erfordert demnach einen hohen (epithermischen) Neutronenfluss an der Bestrahlungsposition. Dies soll durch die Entwicklung eines speziellen Moderator-Reflektor-Systems mit einem angepassten Neutronenenergiespektrum insbesondere im epithermischen Energiebereich und die Konzeption eines Hochleistungstargets mit hoher Neutronenausbeute erreicht werden.

Im Rahmen des HBS-Projekts wurde ein Hochleistungsmetalltarget entwickelt, das für eine hohe Leistungsdichte und damit für hohe Neutronenspitzenflüsse optimiert ist. Es besteht aus einer dünnen Tantal-Metallplatte, welche intern durch eine Mikrokanalstruktur gekühlt wird und für eine Leistungsdichte von 1 kW/cm² und einer Gesamtleistung von 100 kW ausgelegt ist, was zu einer Neutronenausbeute von 10¹⁵ n/s führt. Dieses Design kann entsprechend übernommen und muss aber für die ⁹⁹Mo-Produktion optimiert werden.

Zur Maximierung der Neutronenproduktion kann zum einen die beleuchtete Fläche vergrößert und an das erforderliche Bestrahlungsvolumen angepasst werden, zum anderen ist eine Erhöhung der Leistungsdichte und entsprechend angepasste Kühlstruktur zu untersuchen. Mit beiden Ansätzen soll die Entwicklung eines Targets mit einer Leistung von mehreren 100 kW ermöglicht werden. Entsprechend sollen 1-2 Prototypen des Targets mit unterschiedlichem Design entwickelt und gebaut werden, um dies dann in Strahlenzeiten zu testen.

Für die Erzeugung eines hohen epithermischen Neutronenflusses werden in Neutronen­quellen zur Borneutroneneinfang-Therapie (BNCT) Materialien wie MgF₂, TiF₂ oder Al₂O₃ genutzt, um das Energie­spektrum vom anfäng­li­chen MeV-Bereich in den epithermischen Bereich zu verschie­ben. MC-Simulationen ver­schiedener Geometrien und Materialien der Target-Moderator-Reflektor-Anordnung sollen durchgeführt und entspre­chend dem erzielten epithermischen Neutro­nen­fluss an der Be­strahlungsposition optimiert werden. Die Simula­tionen der opti­mierten Geometrie und Mate­rial­zusam­men­setzung sollen an der JULIC Neutron Plattform des JCNS experimentell validiert werden, wo sich eine modu­lare Neutro­nen­target­station für die Unter­suchung von Moderator-Reflektor-Systemen am Forschungs­zentrum Jülich im Bau befindet. Diese Anlage steht bis Ende 2024 dort für diese Experimente zur Verfügung. Später anstehende Experimente sind an den im Aufbau befind­lichen ver­gleich­­baren Mess­plätzen des CEA Saclay, Frankreich (IPHI Neutron Facility) und des HZDR in Dresden (IBC n-Beamline) durchführbar, die mit dem HBS Projekt und dem JCNS kooperieren. Auch die Neutronenquelle FRANZ, die derzeit an der Goethe-Universität in Frankfurt reali­siert wird, kann durch bestehende Kollaborationen von Prof. Langer, sowie dem HBS Projekt, für Untersuchungen nach 2024 genutzt werden. Des Weiteren können Experimente mit ther­mischen und epithermischen Neutronen durch langjährige Kooperationen mit verschiede­nen Gruppen an For­schungsreaktoren in Deutschland (z.B. TRIGA Mainz, FRM-II), als auch im Ausland (TRIGA Wien, ILL Grenoble, ROG TU Delft) durchgeführt werden. Grundsätzliche Fragen, wie z.B. die Zuverlässigkeit der Wirkungs­querschnitte vers­chiedener Materia­lien, Wärmetransport und notwendige Aktivierungszei­ten, werden ebenfalls in diesem Teilprojekt bearbeitet.

Durch die enge Kollaboration des antragstellenden Verbunds mit der lokalen JCNS Gruppe am FZ Jülich können angestrebte Messungen mit Neutronenspektrometrie durchgeführt werden. Dies ist besonders relevant, wenn durch verschiedene Messungen Simulationen mit realen Messdaten abgeglichen werden sollen. Zudem bestehen enge Kollaborationen mit dem Institut für Kernphysik im FZ Jülich und den entsprechenden Experten dort. Innerhalb des Verbunds hat z.B. Prof. Langer eigene Neutronen-TOF Detektoren entwickelt und in verschiedenen Experimenten eingesetzt. Darunter wurden auch Experimente an der PTB Braunschweig durchgeführt und neutronenspektroskopisch ausgewertet. Entsprechende Expertise, als auch Kooperationen, sind während des Projekts entsprechend vorhanden.

Die ⁹⁹Mo -Produktion erfordert eine regelmäßige Entnahme der bestrahlten Mo-Probe nach einer Woche Bestrahlung und das Einsetzen einer frischen Mo-Probe in die Bestrahlungs­po­sition. Dies muss aufgrund der hohen Aktivität automatisch und ferngesteuert erfolgen. Entspre­chende Robotiksysteme sind flexibel, zuverlässig und werden regelmäßig im radio­aktivem Umfeld einge­setzt.  Entsprechend den aufgestellten Spezifikationen ist ein solches System für das Handling der Mo-Proben zu konzipieren und seine Machbarkeit zu zeigen.

Dies wird zunächst interaktiv mit entsprechender Software entworfen und im virtuellen Raum auch getestet werden. Nach einer Recherche der möglichen Softwareprodukte wird eine entsprechende Prüfung der Eignung dieser nötig. Nach der Konstruktion soll aufgrund der Simulationsergebnisse der Bau eines ersten Prototyps erwogen werden. Anhand von Rapid Prototyp-Modellen kann ein Teil der kritischen Handhabungsvorgänge verifiziert werden.

Zur weiteren Prozessierung der bestrahlten Mo-Proben ist eine sicheres Transportverfahren zu entwickeln. Dieses Verfahren muss die berechnete Aktivität einer be­strahl­­ten Mo-Probe mit 88,8 TBq (2400 Ci) abschirmen und einen zuverlässigen Transport für die Prozessierung gewähr­leis­ten. 

Insgesamt wird im Teilprojekt 2 ein Grundkonzept für die erforderliche Infrastruktur ent­wickelt, die dann, in weiteren Schritten, aufgebaut, getestet und entsprechend genutzt werden kann. Grundsätzliche kernphysikalische Untersuchungen, sowie durch Simulationen ergänzte Verfahren, können jedoch hier als Ziel des Pakets definiert werden.