De onderzoeksreactor van de TU Delft ondergaat een van de ingrijpendste upgrades in zijn bestaan. Vlakbij de kern wordt een koelingsinstallatie geïnstalleerd die neutronen gaat afremmen. Dat komt het materiaalonderzoek op het gebied van duurzame energie en gezondheid ten goede.
Bombarderen met neutronen is een van de manieren om materialen te bestuderen. In veel gevallen geven langzame (dus koude) neutronen meer inzicht dan snelle, omdat ze langer in het materiaal verblijven en zo meer gedetailleerde data opleveren. In geordende bundels vallen ze op monsters van bijvoorbeeld een zonnecel, batterij of nieuwe staalsoort. In Delft staan verschillende meetinstrumenten ter beschikking van onderzoekers om diverse effecten in kaart te brengen.
De reflectometer, bijvoorbeeld, laat de bundel onder een kleine hoek op het materiaal vallen en meet de gereflecteerde neutronen. De neutron depth profiler is speciaal bedoeld om de verdeling van lithium in batterijen in kaart te brengen na diverse cycli van opladen en ontladen. Andere instrumenten meten de atoom- of molecuulstructuur door de verstrooiing van de neutronen in kaart te brengen.
Neutronen die vrijkomen uit de kernreactie in de onderzoeksreactor hebben hoge snelheden. Het bassin met water waarin de brandstofstaven rusten, remt de neutronen door botsingen af tot een snelheid die overeenkomt met de temperatuur van de omringende watermoleculen: ongeveer veertig graden. Dat heeft decennialang voldaan, maar voor hedendaags fundamenteel onderzoek moet de temperatuur omlaag naar 250 graden onder nul om de neutronen verder te vertragen.
Vloeibaar waterstof
‘Kijk, zie je die buis daar’, wijst Jeroen Plomp, hoofd reactorgebonden instrumenten van het Reactor Instituut Delft, naar een donkere cilinder die vanaf de blauw opgloeiende brandstofstaven door de reactorwand naar de onderzoekshal gaat. ‘Die gaan we doorzagen. Dan plaatsen we er de koeling tussen. Daarvoor gaat vloeibaar waterstof door een leiding van bovenaf het bassin in. In een apart, nieuw gebouw staan compressoren om het waterstof vloeibaar te houden.’
Dat klinkt eenvoudig, maar in een radioactieve omgeving is het een omzichtige procedure. Als de vergunning, waaraan jarenlang gewerkt is, op tijd rond is, zal de reactor volgend jaar ongeveer tien maanden stilliggen. Een gespecialiseerd bedrijf uit Zuid-Korea voert de werkzaamheden uit, met hulp van Nederlandse onderaannemers.
Aan de rand van het acht meter diepe bassin laat Plomp zien wat er gaat gebeuren: ‘Het bassin bevat sluisdeuren waarmee we het in tweeën kunnen delen. De constructie waarin zich de brandstofstaven bevinden, brengen we achter de deuren. Daarna pompen we het water uit het andere deel, zodat de buis bereikbaar wordt.
De klus zelf is niet eens zoveel werk. De koelingsinstallatie is geheel geprefabriceerd. Hij hoeft alleen maar neergezet en aangesloten te worden. Maar de veiligheidsmaatregelen, testen en inspecties eromheen zijn streng. Daarom is er meer dan een half jaar voor uitgetrokken.
Veiligheid is ook de reden waarom het zo lang duurde sinds het moment dat de financiering rond was (begin 2012) tot de binnenkort verwachte vergunning. De onderzoeksreactor met een vermogen van slechts 2 MW is bijzonder veilig, maar moet wél aan alle eisen van een grote reactor voor energieopwekking voldoen. Dat betekent heel veel risicoanalyses. Toen de Delftenaren daarmee een eind op weg waren kwamen er in de nasleep van de ramp in Fukushima wijzigingen, met een aanscherping van de eisen en vertraging tot gevolg.
Tijdslot
Gedurende de operatie kan er geen onderzoek gedaan worden. Plomp: ‘Maar de ervaring met langdurige stillegging elders leert dat zo’n periode leidt tot een piek in de publicaties, omdat wetenschappers eindelijk toekomen aan het uitwerken van al hun meetresultaten.’
Bovendien kunnen onderzoekers uitwijken naar bijvoorbeeld een neutronenfaciliteit in Engeland. Enkele instrumenten daar zijn mede door het team van Plomp ontworpen en gebouwd. In ruil daarvoor hebben onderzoekers in heel Nederland een maand per jaar beschikking over de neutronenbundels daar.
‘Daar hebben ze al wel koude bundels’, vertelt Plomp. ‘Onderzoekers doen vaak hun eerste metingen hier, maar voor de nauwkeurige resultaten die ze in hun publicaties nodig hebben, gaan ze naar Engeland of andere faciliteiten in de wereld. Dan moeten ze wel vaak lang wachten tot ze een tijdslot toebedeeld krijgen. Over anderhalf jaar hebben we dit traject helemaal zelf in handen.’
Terwijl de koeling geïnstalleerd wordt, is er ook volop tijd om de instrumenten in de hal naast de reactor aan te passen. De meeste daarvan zijn van Delftse makelij. Sommige zijn al geschikt voor de koude bundels, maar presteren bij gebrek daaraan ondermaats. Plomp: ‘Door jarenlange ervaring met simulaties zijn we in staat goed te voorspellen wat een apparaat zal doen voor we het bouwen.
Bij koude neutronenbundels worden ze gevoeliger voor metingen, maar ook voor verstoringen zoals verandering in uitlijning als gevolg van bijvoorbeeld temperatuur in de hal. Van een stoffig of roestig instrument trekken neutronen zich niets aan, maar als de temperatuur stijgt kan een apparaat zomaar enkele micrometers langer worden. Bij sommige instrumenten beïnvloedt dat de meting. We zijn gewend heel nauwkeurig te werken, maar het blijft natuurlijk spannend.’
Twee toepassingen: Staal en polymerosomen
Staal is een complex product. Niet alleen de samenstelling, maar ook de productiewijze kan de eigenschappen van het eindproduct beïnvloeden. Om te bestuderen hoe dat precies gebeurt, moet je eigenlijk het wordingsproces in detail bestuderen. Voor dat doel heeft het Reactor Instituut Delft een oventje gemaakt dat bij een temperatuur boven de duizend graden de formatie van de fases in staal volgt. Het klinkt enigszins paradoxaal, maar neutronen van 250 graden onder nul brengen dat proces nauwkeuriger in beeld.
Een nieuwe methode om medicijnen in nauwkeurige doses op de juiste plek te brengen, bestaat uit het verpakken ervan in polymerosomen. Dat zijn balletjes van polymeren die zich in een oplossing om het eigenlijke medicijn heen vouwen. Een zelfordenend principe dus, dat nog niet ten volle wordt begrepen. Met microscopische technieken valt in te zoomen op details, maar het complete proces krijg je alleen in beeld met een neutronenbundel. Omdat het om nanometers gaat, is de nauwkeurigheid die een koude bundel biedt essentieel voor dergelijke studies.
