Juan Esposito APOTEMA project proposal Riunione presentazione esperimenti Gr. V, LNL, July 05, 2011...

Juan Esposito “APOTEMA project proposal” Riunione presentazione esperimenti Gr. V, LNL, July 05, 2011

APOTEMA

Accelerator-driven Production Of TEchnetium/Molybdenum

for medical Applications

Responsabile Nazionale: Juan Esposito, LNL

OBIETTIVO GENERALE: Sviluppo di bersagli di potenza per la produzione, mediante acceleratori,

di Mo-99 e Tc-99m per uso diagnostico nella medicina nucleare

SEZIONI PARTECIPANTI (Resp. Locale)LNL, Juan Esposito

FE, Mauro Gambaccini

MI, Mauro Bonardi

PD, Paolo Rossi

diretta:100Mo(p,2n)99mTc

indiretta:100Mo(p,x)99Mo “generatore” 99Mo/99mTc

Produzione Tc-99m


Massively used in nuclear medicine as specific pharmaceuticals labeling agent:

~25 million medical diagnostic investigations performed worldwide (>80% out of total) every year.USA the greatest user (~65% world demand), mainly for heart tests.

Ideal radionulcide for imaging: - parent nuclide (99Mo) relatively long half-life (66 hrs) 99mTc - 99mTc relatively short half-life (6 hrs), 143 KeV emission 99Tc - daughter nuclide (99gTc) very long half-life 2.15x105 yr (~stable)

(minimum dose to patient and medical operators)

Cheap (…right now)

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99mTc: why so important?


Simplified 99Mo decay chain

99Mo

99mTc

99gTc

99Ru (stable)

b- decay T1/2 = 65.94 hr

g transition T1/2 = 6.01 hr

b- decay T1/2 = 2.1 X 105 yr

12.4%events

87.6% events


99mTc may be linked to many molecules with high uptake selectivity in biomedical research.

An example: Gamma‐Ray Scintigraphy by 99mTc

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The current massive production method of 99Mo

HEU (Highly Enriched Uranium), weapon-grade (>80 wt% 235U) is used. Under the strict IAEA control to avoid the proliferation on nuclear weapons.

Recent tests to use LEU (Low Enriched Uranium) (<20 wt% 235U): Problems to get purity levels requested by separation from transuranic actinides (Pu, Am, Cm)

Production efficiency: As 80-100 Ci/g 235U.

Current World demand: 12,000 Ci/week (6-Day Curie)

235U σ(n,f) = Maxwell avg. at 0.0253 eV = 506.8 b

Fission spectrum avg. = 1.235 b

99Mo

6%

Fission yield for thermal neutron fission of U-235.


99Mo/99mTc generators

6Plot of typical Mo-99 and Tc-99m activity on a logarithmic scale

versus time for multiple elution of a technetium generator.

The cost for a 99m Tc patient dose (~30 mCi) in hospital is generally less than 15€ (but this cost is rising).

The cost of neutron irradiation inside reactors of the target is today less than 1€.

The physics process is therefore ~5% only of the final product cost


Main 99Mo world suppliers

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Producer CountryMain

Supply region ％ fornitura mondiale

% fabbisogno

USA*

MDS-Nordion Canada North America, South America, Europe, Asia

40 60

Covidien USA Netherlands

USA, South America, Europe, Middle Est

25 40

IRE Belgium Europe 20 0

NTP South Africa Africa, Australia, Europe 10 0

Other Argentina, Australia, Russia

South-America, Japan 5 0

(*) Data referred to the period before the unscheduled NRU reactor stop


Nuclear Research Reactors currently used by Large-Scale producers of 99Mo

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Reactor Location OwnerStarting

yearScheduled shut-down

NRU Chalk River (CAN) AECL 1957 2010?

HFR Petten (NED) EuropeanCommission

1961 2016

BR2 Mol (BEL) Centre d’Etude de L’Energie Nucléaire

1961 2016−2020

OSIRIS Saclay (FRA) Commissariat à l’Energie Atomique

1966 2014−2015

SAFARI-1 Pelindaba (RSA) Nuclear Energy Corporation of South Africa

1965 2030


The origin of 99Mo production crisisMay 2008

MAPLE -1,2 program failure

two new reactors dedicated to 99Mo mass production to replace the old NRU reactor next to being permanently shut-down.

Construction completed in year 2000. Commissioning phase not passed

Consequences: non-compliance with safety rules of Canadian Nuclear Safety Commission’s (CNSC).

High costs required for necessary changes

Final Result: reactors closed, project abandoned in 2008

May 2009Stop operation for the old NRU reactor for extraordinary (non scheduled) repairs because of vessel (calandria) loss of D2O. The re-opening, originally scheduled a few weeks later, was first moved in March 2010, then postponed to early August 2010. The reactor is currently running….but such a stop started customers to think about alternative arrangements.


Possible alternative solutions

Are basically the following:

1. To wide the number of reactors: - FMR II (Germany); - RJH (France) - PALLAS (Netherlands)

are foreseen to increase the 99Mo mass production in Europe. Additional minor productions in reactors located in Poland, Belgium, Czech Rep., Romania.

IAEA suggests to get a wide number of reactors to reduce/maintain production cost.

2. Use of Low Enriched Uranium (LEU) (<20% 235U enrichment) instead of HEU in order to avoid the strict IAEA control/restrictions on HEU for nuclear weapon proliferation

3. Use of alternate, more flexible production routes based on accelerators

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Accelerators available at INFN-LNL for a possible 99Mo/99mTc production

Two new proton accelerators having complementary features will be available at the Legnaro National labs in the next years:

1.Radio Frequency Quadrupole (RFQ)+Drift Tube Linac (DTL) already developed for LINAC4 project at CERN: beam energy fixed, beam current variable

Ep = 5 25 MeV Ip = 1.5 mA, 3% duty cycle (50 mA peak current) H+

2.Cyclotron: both beam energy and current variable Ep = 35-70 MeV Ip = 500 μA max H+


Alternative 99Mo/99mTc production routes using accelerators

• 100Mo(p,pn)99Mo

• 100Mo(,n)99Mo

• 98Mo(n,)99Mo

• 100Mo(n,2n)99Mo

• 100Mo(p,2n)99mTc

• 98Mo(d,n)99mTc

• 98Mo(p,)99mTc

99mTc T1/2 = 6 h

99Mo T1/2 = 66 h

Isotopic natural abundance 98Mo: 24,1 % Monat

100Mo: 9,6%

parent 99Mo production

direct 99mTc production


Possible 99Mo/99mTc production routes using LNL accelerators

• 100Mo(p,pn)99Mo

• 100Mo(,n)99Mo

• 98Mo(n,)99Mo

• 100Mo(n,2n)99Mo

• 100Mo(p,2n)99mTc

• 98Mo(d,n)99mTc

• 98Mo(p,)99mTc

99mTc T1/2 = 6 h

99Mo T1/2 = 66 h

Isotopic natural abundance 98Mo: 24,1 % Monat

100Mo: 9,6%

parent 99Mo production

direct 99mTc production

Productions expected by neutron capture reactions have shown to be

not competitive by preliminary estimations taking into account a neutron

source driven by both accelerators proposed


Feasibility study on direct 99Mo/99mTc production based on the SPES cyclotron

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The following irradiation conditions have been investigated to assess both nuclides production, all based on the hypotheses of either a thick-target, or thin-target irradiations on 100Mo enriched samples:

1. Ep= 40 MeV Ip=500 μA 99Mo production 2. Ep= 70 MeV Ip=500 μA

3. Ep= 40 MeV Ip=500 μA 99mTc production 4. Ep= 25 MeV Ip=500 μA

100Mo-enriched sample

Proton beam Ep=40-70 MeV(or degraded to 25 MeV)

Ip =500 A max


99Mo / 99mTcIn-target production expected, EOB (12 hrs beam /day):

thick / thin samples

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Production system 100Mo(p,x)99Mo 100Mo(p,2n)99mTc

thick sample thin sample thick sample thin sample

In-target Activity [Ci]

Ep = 70 MeV , 500 W/cm2

49.5 43.4 --- ---Specific activity

[mCi/g] 96.3 109.5 --- ---


Ep = 40 MeV , 500 W/cm2

14.9 10.9 77.6 74.0Specific activity /Activity

concentration[mCi/g]

132.5 174.8 720.2 687.5


Ep = 25 MeV , 500 W/cm2

3.0 3.0 58.2 56.6Specific activity /Activity

concentration[mCi/g]

98.2 124.8 1884.6 2329.4


Target

Progettazione e realizzazione prototipo/i bersaglio di potenza (NATMo) test termomeccanici (densità potenza media ~ 500 W/cm2)

Irraggiamento campioni (100Mo arricchito 99.5%) misure sperimentali di produzione, contaminanti e sezioni d’urto (es. Tc-99g)

Attività sperimentali

Breve termine (2012):

• Realizzazione prototipo/i del bersaglio.

• Test imaging in vivo con Tc99m spillato da generatori Mo/Tc a tempi >24 hr per determinare valore massimo del rapporto Tc-99g/Tc-99m per cui si hanno ancora analisi scintigrafiche valide

Medio termine (2013):

• Test termomeccanici e affidabilità bersagli di potenza presso centro ARRONAX (Nantes)

• Misure sperimentali di produzione 99Mo e contaminati. Ottimizzazione processamento radiochimico, resa nuclidica ( contaminanti !!).

Lungo termine (2014):

• Misure sperimentali di produzione per Tc99m

• Ottimizzazione processamento radiochimico, resa nuclidica ( contaminanti !!).

• Misure sperimentali di produzione del Tc99g TANDEM-XTU (LNL), e validazione delle sezionid’urto teoriche (TENDL2009). NO DATI SPERIMENTALI

OBIETTIVI del PROGETTO APOTEMA


Ruolo dei Lab. Naz. Legnaro 1°anno APOTEMA (2012):

• Progettazione del/ prototipo/i del bersaglio di potenza (per la produzione di Mo99/Tc99m in condizioni ottimizate).

• Realizzazione del prototipo/i del bersaglio

• Partecipazione e supervisone alle attività sperimentali ed analisi dati

Finanziamenti richiesti dai LNL (2012):

• 2 k€ MISSIONI INTERNE

• 2 k€ MISSIONI ESTERE

• 26 k€ CONSUMO: Acquisto materiale a purezza nucleare per la realizzazione del/i porta bersaglio/i non essendo dei componenti "usa e getta"

TOTALE 30 k€


Ruolo della sezione di Ferrara 1°anno APOTEMA (2012):

• Studio delle sezioni d'urto delle reazioni con protoni a diverse energie per la produzione di Mo-99 e Tc-99m (analisi dei contaminanti, es. Tc-99g)

• Valutazione del degrado dell'immagine SPECT su piccoli animali al variare del rapporto Tc-99m/Tc-99g in imaging planare della tiroide con collimatore pin-hole (collaborazione con INFN-Pd)

• Sviluppo di un sistema di conteggio beta in fase liquida per la quantificazione del rapporto di produzione Tc-99m/Tc-99g (misura sperimentale della sezione d’urto 100Mo(p,2n)99gTc)

Finanziamenti richiesti dalla sezione di Ferrara (2012):


• 5 k€ INVENTARIABILE (Sistema di conteggio β-)

• 6 k€ CONSUMO: Fantocci e strumentazione per imaging su piccoli animali; Provette e scintillatori liquidi per conteggio β-

TOTALE 16 k€


Ruolo della sezione di Padova 1°anno APOTEMA (2012):

• Valutare l’assorbimento fisiologico tiroideo del pertecnetato in modelli animali (topi), la relativa risoluzione spaziale ottenibile e la migliore definizione della dose tiroidea, con misure scintigrafiche presso il Laboratorio di Radiofarmaci e Imaging Molecolare” (LRIM) dell’Università di Padova sito presso i LNL.

Tale laboratorio è abilitato all’uso di radioisotopi in fase liquida e alla sperimentzione animale (in collaborazione con la Facoltà di Veterinaria e il Dipartimento di Oncologia dell’Università di Padova).

Finanziamenti richiesti dalla sezione di Padova (2012):


• 6 k€ INVENTARIABILE Potenziamento strumentazione (camere Yap e Compton)

• 6 k€ CONSUMO: Acquisto di generatori Mo/Tc per produrre di Tc99m in situ. Materiali elettronici e meccanici per adattamento dei rivelatori di raggi gamma esistenti per scintigrafia animale per questo tipo di misure

TOTALE 15 k€


Ruolo della sezione di Milano 1°anno APOTEMA (2012):• Misure sperimentali per la determinazione quantitativa della produzione di

Mo-99 e radionuclidi contaminanti, valutazione della purezza radionuclidica al termice del processo di separazione radiochimico mediante irraggiamento di campioni di 100Mo arricchito presso centro ARRONAX (Nantes).

• Misure sperimentali per la determinazione quantitativa della produzione di Tc-99m e radionuclidi contaminanti, valutazione della purezza radionuclidica al termice del processo di separazione radiochimico mediante irraggiamento di campioni di 100Mo arricchito presso TANDEM-XTU (LNL), TANDEM-Alpi (LNL).

Finanziamenti richiesti dalla sezione di MIlano (2012):


• 5 k€ MISSIONI ESTERE

• 4 k€ CONSUMO

TOTALE 11 k€


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RIEPILOGO GENERALE

Sezioni Lab

Missioni interne

Missioni estere Inventariabile Consumo Tot. per

sez/labFTE

previsto

LNL 2 2 26 30 2.3

Fe 5 5 6 16 3.5

Pd 3 6 6 15 1.5

Mi 2 5 4 11 0.2

TOTALE 12 7 11 41 72 7.5


LNL FTE INFN-Mi FTE

Esposito J. 0.6 Bonardi M. 0.2Comunian M. 0.2 0.2Rossi A. 0.4

Cerenkova O. 0.6

Atroshenko K. 0.5

2.3

INFN-Fe INFN-Pd FTEGambaccini .M 0.2 Fontana C.L. 0.3

Taibi A. 0.6 Gisella G. 0.4

Cardarelli 0.2 Rossi P. 0.3

Pupillo G. 0.6 Zannoni R. 0.5

Mucollari 0.4 1.5

Duatti A. 0.5

Uccelli L. 0.5

Pasquali 0.5

3.5

TOTALE FTE 7.5

PROGETTO APOTEMA:

Distribuzione FTE partecipanti al progetto

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