Een kernreactor als veelzijdige supermicroscoop voor het onderzoek aan zonnecellen, batterijen en de productie van medische isotopen

Naast een kerncentrale zijn er in Nederland nog twee kernreactors voor onderzoek actief. Een daarvan staat in Delft, aan de rand van de campus van de Technische Universiteit Delft. Kennislink kijkt tijdens een bezoek hoe hij wordt gebruikt voor onder andere materiaalonderzoek én het verfijnen van isotopenproductie voor de medische wereld.

1 juli 2015

Het heeft iets onwerkelijks. Alsof ik naar een apparaat uit een sciencefictionfilm staar. Ik kijk vanaf de rand van een klein maar diep en kraakhelder ‘zwembad’ naar beneden. Vlakbij de bodem zie ik een aantal buizen naar elkaar lopen, maar het punt waar ze elkaar treffen is onzichtbaar. Een helder blauwe gloed ontneemt het zicht.

Het geeft een apart gevoel om oog in oog te staan met een werkende kernreactor. Hoewel op de bodem van het bassin ontelbare razendsnelle deeltjes ontsnappen, is er aan de rand van het water van radioactiviteit geen sprake meer. Het (extreem zuivere) water is de ideale beschermer, dat bovendien voor koeling van de vier kilo uranium op de bodem zorgt.

Bert Wolterbeek, directeur van het Reactor Instituut Delft (RID), laat me vandaag de ‘zwembadreactor’ zien. Het is een van de twee onderzoeksreactors van Nederland en wordt onder andere gebruikt voor materiaalonderzoek en de productie van medische isotopen.

Veelzijdig elementair deeltje

Neutronen, dat is waar het hier om draait. Het veel voorkomende elementaire deeltje vormt in atoomkernen de ‘lijm’ tussen de positief geladen protonen. In vrije vorm komt het nauwelijks voor omdat het al snel met een elektron tot een proton combineert. Stilstaand is het neutron misschien niet zo interessant voor de wetenschap, maar geef het een snelheid en het deeltje verandert in een wetenschappelijke duizendpoot. Een gereedschap dat onderzoekers in Delft op veel wetenschapsgebieden inzetten.

De snelle neutronen (soms ook ‘hete neutronen’ genoemd) komen vrij bij de splijting van het uranium op de bodem van het vrijwel roerloze bassin voor me. Ze zijn het product van een nucleaire (ketting)reactie, waarbij een uraniumkern uit elkaar valt in twee kleinere kernen en waarbij ook drie neutronen vrijkomen (zie afbeelding hiernaast).

“We willen de snelheid van onze neutronen zo precies mogelijk afstellen”, zegt Wolterbeek. Dat kan bijvoorbeeld met speciale filters die alleen de neutronen met de gewenste snelheid doorlaten, typisch duizenden kilometers per uur. “In feite straalt onze neutronenbron even hard alle kanten op”, vervolgt hij. “Door de rechte buizen bereiken ze de experimentele instrumenten. De neutronen die toevallig een andere kant op schieten worden afgeremd door het water en veroorzaken (mede) de blauwe Cherenkov-straling.”

Het verschilt behoorlijk, maar in Delft doen wetenschappers soms wel tientallen experimenten tegelijk met de neutronen uit de reactor. Zo brengen ze bijvoorbeeld complexe vaste stoffen in kaart, materialen voor zonnecellen of elektrodes van batterijen (zie kader). Neutronen vliegen namelijk dwars door deze stoffen heen tótdat ze een atoomkern tegenkomen. Ze botsen en veranderen van richting. De met een detector opgevangen afgeketste neutronen geven zo informatie over de posities van atomen in de vaste stof. Eigenlijk werkt de kernreactor in veel experimenten als een gigantische microscoop.

Daarnaast kan de kernreactor dienen als testfabriek voor de productie van radioactieve stoffen die veel in de medische wereld worden gebruikt bij diagnoses en behandelingen. Dat is vooral molybdeen-99 dat ontstaat uit de splijting van uranium, en zelf langzaam vervalt naar technetium-99m. Doorgaans test men nieuwe methodes voor de productie, maar toen in 2010 de wereldwijde isotopenproductie in de knel kwam door onderhoud in andere reactors was het Reactor Instituut Delft back-up-producent (overigens was dat uiteindelijk niet nodig).

Het SANS-experiment (Small-Angle Neutron Scattering) in het Reactor Instituut Delft, die gebruik maakt van een bundel neutronen uit de kernreactor. Een neutronenbundel wordt op een materiaal gericht en aan de hand van botsingen van de deeltjes met atomen in het materiaal kan een beeld gevormd worden tot op nanometers precies. — Het SANS-experiment (Small-Angle Neutron Scattering) in het Reactor Instituut Delft, waarbij wetenschappers gebruik maken van een bundel neutronen uit de kernreactor. Een neutronenbundel wordt op een materiaal gericht en aan de hand van botsingen van de deeltjes met atomen in het materiaal wordt een beeld gevormd tot op nanometers precies.
Reactor Instituut Delft

Langzame neutronen

Ook krijgt de Delftse reactor zelf een upgrade: OYSTER genaamd. De komende jaren wordt onder andere een installatie voor zogenoemde ‘koude neutronen’ geïnstalleerd. Vlakbij de reactorkern komt een klein en ijskoud reservoir met vloeibaar waterstof. Snelle neutronen die er doorheen vallen worden getemperd zodat hun snelheid van 8300 naar ongeveer 2000 kilometer per uur gaat. Koude neutronen zijn makkelijker te manipuleren, naar de experimenten te transporteren én eenvoudiger te detecteren. Het maakt onderdeel uit van een grote upgrade die in totaal 117 miljoen euro kost. Onder meer de TU Delft en het Ministerie van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap betalen.

Geen gewone faculteit

Hoewel het RID onderdeel is van de TU Delft merkt je dat je niet een gewone faculteit binnengaat. De hekken eromheen zijn hoog en er is beveiliging aanwezig. Binnen barst het van de protocollen. “We moeten natuurlijk aan strenge eisen voldoen, net als iedere nucleaire faciliteit”, zegt Wolterbeek. “Misschien zijn we zelfs wel iets te streng, maar in de 33 jaar dat ik hier werk is er nog nooit iets gebeurd.”

Voordat we de reactorhal in gingen kreeg ik een apparaatje mee dat de door mij ontvangen dosis radioactiviteit meet. Als ik uit de luchtsluis naar buiten kom (in de reactorhal heerst een onderdruk) worden mijn handen en voeten gescand op radioactiviteit. Ik mag doorlopen, zegt het apparaat tegen me.

OK, voor een journalist die de reactor eenmalig bezoekt zal een eventuele dosis radioactiviteit wel meevallen. We komen in het dagelijks leven immers overal radioactiviteit tegen. Als we het vliegtuig pakken, als we een banaan eten. Tja, eigenlijk is iedereen permanent blootgesteld aan (volstrekt ongevaarlijke) dosissen radioactiviteit. Maar hoe zit het dan met de medewerkers van het RID?

De metalen koepel van het Reactor Instituut Delft, die over de ‘zwembad-reactor’ gebouwd is. De twee blauwe torentjes op de voorgrond dumpen de warmte die de reactor produceert. — De metalen koepel van het Reactor Instituut Delft, die over de reactor gebouwd is. De twee blauwe torentjes op de voorgrond dumpen de warmte die de reactor produceert. Het gebouw links van de koepel is de experimenteerhal waar de neutronen uit de reactor worden gebruikt.
Nucleair Nederland

Een ‘speelgoedreactor’

Op verschillende plekken rond de reactor prijken bordjes die het actuele vermogen van de reactor aangeven: 2006 kilowatt. “Als je dat vergelijkt met reactors van bijvoorbeeld kerncentrales dan zijn we heel klein, die produceren soms wel vier miljoen kilowatt”, zegt Wolterbeek. “Ook de andere Nederlandse onderzoeksreactor in Petten is met vijftig megawatt al een stuk groter.” De warmte die vrijkomt bij de kernreacties wordt overigens niet gebruikt, maar buiten gedumpt met grote warmtewisselaars.

“Dat valt echt heel erg mee”, verzekert Wolterbeek. Van iedere medewerker wordt de totaal ontvangen dosis geregistreerd en die blijft ver binnen de veiligheidsmarges. Zelfs wetenschappers die met een tangetje de monsters vastpakken die net via een soort buizenpost van de reactorkern vandaan komen, lopen nauwelijks extra risico. “Ter vergelijking, een whole-body-scan in het ziekenhuis zorgt voor gemiddelde dosis van tien milliSievert, en het maximum voor een radiologisch medewerker in het ziekenhuis is het dubbele van dat. Wij blijven daar ruim onder”, zegt Wolterbeek

Hij vertelt een anekdote over een medewerker van het RID die net in het ziekenhuis een (radioactieve) behandeling had gehad. “Nou, al onze alarmbellen ging af! Dat kwam door de verhoogde radioactiviteit die hij nog bijdroeg. We konden toen eigen niets anders doen dan hem naar huis sturen…”

Een kijkje in een werkende batterij

Een van de onderzoekers bij het RID is Marnix Wagemaker, die in het hart van de veelgebruikte lithium-ion-batterij probeert te kijken. Die batterijen kunnen én moeten in principe nog verbeterd worden – dat kunnen velen beamen op het moment dat het mobieltje wéér leeg is. De vraag is alleen hoe.

“Een van de vragen die we hebben is waar de lithium-ionen (de ladingdragers in die batterij – red.) in zo’n batterij precies heen gaan en worden opgeslagen als je de batterij oplaadt”, zegt Wagemaker. “We gebruiken neutronen uit de reactor als ‘ogen’, om deze processen op microscopische schaal te bekijken.”

Zodra een batterij namelijk met neutronen wordt gebombardeerd kunnen ze afketsen op de kern van lithium-atomen. Zo worden ze als het ware ‘afgetast’. Het opvangen van deze neutronen na de interactie geeft informatie over de posities van de lithium-ionen. “Recentelijk hebben we zo’n zogenoemde neutrondiffractometer ontworpen en gebouwd”, zegt Wagemaker.

Ook kunnen neutronen ingevangen worden door de lithiumkernen, die vervolgens meteen uit elkaar springen in tritium en een alfadeeltje. Dat laatste deeltje wordt opgevangen om de er de energie van te bepalen. “Aan de hand van de energie kunnen we bepalen hoe diep het lithium-ion in het materiaal heeft gezeten”, zegt Wagemaker. Deze relatief nieuwe techniek heeft Neutron Depth Profiling (NDP) en Wagemaker is een van de weinigen die hem gebruikt voor het onderzoeken van batterijen.

De crux is dus weten waar en hoe lithium-ionen bewegen en worden opgeslagen. “Op die manier kun je uiteindelijk ook tot een verbetering komen”, zegt Wagemaker. “Door meer lithium-ionen op te slaan vergroot je ook de capaciteit van de batterij en als we ze sneller laten bewegen dan gaat ook het opladen sneller.”

Maar een kernreactor gebruiken om ín een materiaal te turen, kan dat niet gemakkelijker? Jazeker, er zijn verschillende methodes om (vaste) materialen te bestuderen op een kleine schaal. Een veelgebruikte is röntgendiffractie. “Een mooie techniek, alleen is het uitgerekend met daarmee lastig om lithium-ionen te volgen”, zegt Wagemaker. “Neutronen uit de reactor bieden ons die mogelijkheid wel.”

Wagemaker vindt het jammer dat er geen grote batterij-industrie in Nederland is, en dat terwijl we wel onderzoeksmogelijkheden hebben. Maar hij heeft de hoop dat de relatief nieuwe NDP-techniek daar verandering in kan brengen. “Nederlandse bedrijven beginnen nu interesse te tonen in nieuwe batterij-technieken,” zegt hij, “zoals vastestofbatterijen en zogenoemde lithium-lucht-batterij met een hoge capaciteit. Ook die wil ik gaan onderzoeken met de reactor.”