ISOTOPE PRODUCTION IN DONES: Exhaustive analysis of different isotopes and preliminary design of their industrial production

Abstract

La Medicina Nuclear engloba una parte importante de las aplicaciones médicas de las radiaciones ionizantes, basándose en el uso de radioisótopos como fuentes de radiación y permitiendo el diagnóstico y tratamiento médico de las principales enfermedades con mayor impacto social. Los radioisótopos utilizados en Medicina Nuclear son producidos mediante bombardeo de núcleos estables con partículas cargadas, fotones o neutrones, para inducir las reacciones nucleares deseadas, y tienen lugar en instalaciones nucleares como reactores de fisión o en aceleradores de partículas (linacs, sincrotrones, ciclotrones, etc.). Estas tecnologías, junto con los generadores de radionucleidos, son las principales vías de abastecimiento de radioisótopos médicos en los hospitales, y deben considerarse complementarias y no competitivas. El acelerador lineal de alta intensidad y última generación, IFMIF-DONES, podrá acelerar deuterones hasta una energía de 40 MeV y una corriente de 125 mA. Estas partículas cargadas golpearán un blanco de litio líquido produciendo neutrones a través de la reacción nuclear de producción D+ + 7Li, contenida dentro de la celda de prueba (Test Cell), produciendo un flujo de neutrones rápidos de 1014 n/cm2/s con un pico amplio entre 14–20 MeV en su espectro neutrónico. En el campo de la producción de radioisótopos, IFMIF-DONES facilitaría tanto las posibilidades de producción de radioisótopos mediante reacciones inducidas con haz de deuterones como con neutrones, gracias al flujo neutrónico residual dentro de la celda de prueba tras el módulo de alto flujo (High Flux Test Module). En el contenido de esta tesis se estudia de forma exhaustiva y detallada la viabilidad de producción de algunos de los radioisótopos más relevantes en la clínica actual, 165Er, 177Lu y 99Mo/99mTc, así como su adaptación realista de producción a la instalación, considerándose algunas modificaciones en el diseño actual del acelerador para la correcta implementación de esta aplicación complementaria relevante en el campo de la Medicina Nuclear. Finalmente, se ha cerrado esta tesis con un caso práctico de aplicación en el campo de la Medicina Nuclear. Concretamente, se ha evaluado un radiofármaco experimental radiomarcado con 177Lu en modelo animal para definir sus posibilidades preclínicas ante una potencial investigación traslacional desde el ámbito de las terapias dirigidas con radionucleidos a otras estrategias terapéuticasNuclearMedicine covers an important part of the medical applications of ionising radiation, based on the use of radioisotopes as radiation sources and allowing the diagnosis and medical treatment of the main diseases with the greatest social impact. Radioisotopes used in Nuclear Medicine are produced by bombarding stable nuclei with charged-particles, photons or neutrons, to induce the required nuclear reactions, and take place in nuclear facilities such as fission reactors or particle accelerators (Linacs, synchrotrons, cyclotrons, etc.). These technologies, together with radionuclide generators, are the main supply routes for medical radioisotopes in hospitals and should be seen as complementary and non-competitive. The state-of-the-art, high-intensity linear accelerator, IFMIF-DONES, will be able to accelerate deuterons up to 40 MeV of energy and 125 mA of current. The charged-particle beam will strike a liquid lithium target producing neutrons through the nuclear production reaction D+ + 7Li, contained inside the Test Cell, producing a fast neutron flux of 1014 n/cm2/s with a broad peak between 14 − 20 MeV in its neutron spectrum. In the framework of radioisotope production, IFMIF-DONES would allow radioisotope production by deuteron- induced and neutron-induced nuclear reactions, the latter thanks to the residual neutron flux inside the Test Cell behind the High Flux Test Module. In the content of this thesis, the production feasibility of 165Er, 177Lu and 99Mo/99mTc, some of the most relevant radioisotopes in the current clinic is analysed in an exhaustive and detailed study, as well as their realistic production within the facility, considering some updates in the design of the accelerator for the correct implementation of this relevant complementary application in the field of Nuclear Medicine. Finally, this thesis has been closed with a practical case of application in the field of Nuclear Medicine. Specifically, an experimental radiopharmaceutical radiolabelled with 177Lu has been evaluated in an animal model to define its preclinical possibilities for a potential translational research from the field of targeted radionuclides therapies to other therapeutic strategies.Tesis Univ. Granada.MCIN/AEI/10.13039/501100011033 from the EUROfusion Consortium, funded by the European Union via the Euratom Research and Training Programme (Grant Agreement No 101052200 — EUROfusion)Partially, this work was supported by Spanish Ministerio de Ciencia e Innovación (PID2020-117969RBI00)Junta de Andalucía (FEDER Andalucia 2014–2020) projects P20-00665 and B-FQM-156- UGR20Empresarios Agrupados Internacional, S.A. with funding from Spanish CDTI (Misiones DONES-EVO) (Contrato UGR-OTRI 5270)Instituto Carlos III (ISCIII DTS22 /00147)France State aid managed by the Agence Nationale de la Recherche under the Programme d’Investissements d’Avenir (ANR-16-IDEX-0007)Financial support from the Pays de la Loire Region.Junta de Andaluc´ıa, European Regional Development Fund (ERDF), Euratom Research, co-founded by the European Union, ENEN2Plus and Training Programme IRC TransForMed mobility grant