Reactor Instituut Delft

Reactor
Instituut
Delft
REACTOR INSTITUUT DELFT
Welkom bij
het Reactor
Instituut Delft!
scheikundigen en technici. Daarnaast
ontvangen we regelmatig gastonderzoekers uit binnen- en buitenland die
het RID bezoeken om wetenschappelijk
onderzoek uit te voeren.
Wetenschappelijk onderwijs en
stralingsonderwijs
Het RID verzorgt universitair weten-
Welkom in de fascinerende wereld
van het Reactor Instituut Delft
(RID), onderdeel van de faculteit
Technische Natuurwetenschappen
(TNW) van de TU Delft. Het RID is
al meer dan vijftig jaar hèt Nederlandse kenniscentrum voor wetenschappelijk onderzoek en onderwijs op het gebied van straling.
Het RID is dus een universitair wetenschappelijk instituut, maar we zijn ook
het expertisecentrum voor veilig werken
met radioactiviteit en straling. Via consulten en cursussen op alle niveaus
delen we onze kennis met veel mensen.
Zo volgen jaarlijks ruim 1.000 professionals bij het RID een opleiding op het
gebied van stralingsveiligheid.
Bij het RID werken ongeveer 200
mensen: vooral natuurkundigen,
schappelijk onderwijs voor studenten van
de TU Delft inzake technische natuurkunde, duurzame energie, toepassing
van nucleaire technieken en stralingsveiligheid. Professionals met diverse
achtergronden kunnen voor opleidingen
in de stralingsveiligheid terecht bij ons
maken. Daarnaast doen we onderzoek
Nationaal Centrum voor Stralings-
op het gebied van medische beeld-
Veiligheid (NCSV). Daarbij gaat het niet
vorming.
alleen om radiodiagnostisch ziekenhuispersoneel of medewerkers van nu-
Het tweede belangrijke onderzoeks-
cleaire installaties, maar ook om brand-
thema bij het RID is duurzame energie,
weermensen, industriële onderzoekers
zoals de opslag van (wind- en zonne-)
en medewerkers van diverse ministeries.
energie, zonne-panelen en betere batterijen. Ook het verduurzamen van kern-
De onderzoeksreactor
energie is onderwerp van onderzoek.
Het RID beheert een bijzondere onderzoeksfaciliteit, namelijk een kernreactor
In materialen kijken
met een vermogen van twee megawatt.
Het bijzondere aan straling uit de kern-
Het betreft een kleine zwembadreactor,
reactor is dat onderzoekers hiermee op
wat betekent dat de reactorkern in een
zeer kleine, atomaire schaal, in materi-
betonnen bak met water hangt. De reac-
alen kunnen kijken zonder het materiaal
tor werkt op laagverrijkt uranium. Bij de
te beschadigen. Hetzelfde onderzoeks-
kernsplijting van dit uranium komt straling
materiaal kan op deze manier onder-
vrij: neutronen, gammastraling en indirect
zocht worden in alle fasen van het pro-
ook positronen. Deze straling gebruiken
ductie- of verouderingsproces, op basis
de wetenschappers voor fundamenteel
van de nieuwste inzichten.
en toegepast wetenschappelijk onderzoek. De reactor is niet gemaakt om
Investeren in innovatie met OYSTER
energie te leveren.
Het RID wil het hoogste niveau in deze
hightech onderzoekswereld voortzetten,
Gezondheid en duurzame energie
nieuwe innovaties mogelijk maken en
Het gezondheidsonderzoek bij het RID
steeds sneller innoveren op het gebied
richt zich op de ontwikkeling van pro-
van gezondheid en duurzame energie.
ductiemethoden voor medische isotopen
We investeren daarom continu in betere
die een effectievere behandeling en
meetmethoden en onderzoekstechnie-
preciezere diagnose van kanker mogelijk
ken. Een goed voorbeeld hiervan is het
programma OYSTER (Optimized Yield -
Koude neutronen
for Science, Technology & Education - of
Met OYSTER worden de neutronen met
Radiation), dat in 2012 is gestart.
een zogeheten Koude Bron van kamertemperatuur gekoeld tot wel -245°C. Bij
Met OYSTER worden de onderzoeks-
deze extreem lage temperatuur worden
reactor en de instrumenten een stuk
tot 100 keer meer neutronen met lage
preciezer en breder inzetbaar. Op die
energieën geproduceerd. De onder-
manier kunnen we nog beter voldoen
zoekers kunnen deze neutronen beter
aan vragen vanuit de maatschappij en
manipuleren voor nog betere onder-
de wetenschappelijke wereld. Onder-
zoeksresultaten.
zoeker Lambert van Eijck vertelt in deze
brochure meer over het nieuwste meetin-
Sneller en beter meten
strument PEARL, dat sinds eind 2015 in
Ook worden bestaande meetinstrumen-
gebruik is. De toepassingsmogelijkheden
ten aangepast (en nieuwe ontwikkeld!)
van dit instrument zijn zeer divers.
om snellere, betere, nieuwe en andere
metingen te kunnen uitvoeren. Met
Met de straling uit de
kernreactor kunnen
onderzoekers op zeer kleine,
atomaire schaal, in materialen
kijken zonder het materiaal te
beschadigen.
OYSTER kunnen de onderzoekers, in
een aantal soorten onderzoek soms zelf
tot 100 keer, nauwkeuriger of sneller
meten dan nu het geval is. Deze verbetering zal bijdragen aan hoogstaand
wetenschappelijk onderzoek, versnelde
innovatie en daarmee aan onze Nederlandse kenniseconomie.
Gezondheid
Binnen de radiodiagnostiek en radiotherapie in de gezondheidszorg wordt
gebruik gemaakt van radioactiviteit en radio-isotopen. Het RID werkt nauw samen
met ziekenhuizen bij het ontwikkelen van
deze nieuwe medische radio-isotopen:
Holland PTC: protonenkliniek in Delft
‘nucleaire medicijnen’ die heel precies
Op het terrein van het RID bouwen de
kankercellen bestrijden zonder gezond
TU Delft, het Erasmus MC en het Leids
weefsel te beschadigen. Lees verderop
Universitair Medisch Centrm aan het
hoe onderzoekster Antonia Denkova en
eerste behandelingscentrum voor proto-
haar team dit doen met zogenoemde
nentherapie in Nederland. In dit centrum
nanodragers. OYSTER zal deze en an-
worden tumoren bestreden met behulp
dere medische ontwikkelingen een grote
van protonen bestraling. Vanaf 2017
impuls geven.
kunnen hier 600 kankerpatiënten per jaar
behandeld worden. Onderzoekers binnen
Duurzame Energie
het RID ontwikkelen samen met de part-
Duurzame energiebronnen, zoals wind-
ners nog betere behandelmethodes voor
molens of zonnepanelen, kunnen niet
de bestrijding van kanker met protonen.
continu energie leveren. Om deze bronnen optimaal te gebruiken, is dus opslag
De European Spallation Source
van energie nodig - en daar valt nog veel
in Zweden
in te verbeteren! Een andere maatsch-
In Lund in Zweden verrijst een multi-
appelijke uitdaging is het verbeteren van
disciplinair wetenschappelijk onderzoeks-
batterijen in elektrische auto’s. Onder-
centrum met de krachtigste neutronen-
zoeker Marnix Wagemaker werkt daarom
bron ter wereld: de European Spallation
aan het ontwikkelen van nieuwe materi-
Source (ESS). Onderzoekers van
alen voor effectieve opslag van energie,
Europese universiteiten, instituten en
bijvoorbeeld in Li-ion batterijen die in
uit de industrie zullen hier experimenten
iedere mobiel en tablet te vinden zijn. Bij
gaan uitvoeren. Het RID is het Ne-
het RID wordt gezocht naar batterijen
derlandse contactpunt voor de ESS en
die langer meegaan, met een kortere
levert met haar unieke expertise op het
laadtijd en een grotere energie-inhoud.
gebied van neutronentechnieken een
OYSTER zal tot meer kennis over deze
bijdrage aan de ontwikkeling van instru-
batterij-materialen leiden en daarmee
menten voor de ESS. ESS biedt onge-
de ontwikkeling van een ‘superbatterij’
kende mogelijkheden voor onderzoekers
versnellen.
op het gebied van duurzame energie,
Feiten en
cijfers
x200
200 medewerkers
12.000x
x4
12.000 bezoekers
per jaar
4 universitaire
opleidingsprofielen
Nuclear Energy
and Radiation
Werk aan een van de meetinstrumenten van het RID
Applications
5 Onderzoeksgroepen
(foto: Marc Blommaert)
(NERA)
Fundamental
gezondheid, cultureel erfgoed en funda-
Aspects of
mentele natuurkunde. Met de neutronen-
Materials and
bron en de bijbehorende instrumenten
Energy (FAME)
kunnen wetenschappers structuren zien
en begrijpen hoe de ato- men bewegen.
Neutron and
We kunnen dit vergelijken met een gi-
Positron Methods
gantische microscoop voor de studie van
Radiation,
in Materials
uiteenlopende materialen die we tegen-
Detection &
(NPM2)
komen in het dagelijks leven: van kunst-
Medical Imaging
stof en geneesmiddelen tot motoren, van
(RD&M)
Radiation and
complexe moleculen zoals proteïnen tot
Isotopes for
nanostructuren.
Health (RIH)
Materiaalonderzoek en technologische
vooruitgang gaan hand in hand. De
Poederdiffractometer PEARL
legt de vingerafdruk van
atoomstructuren bloot
oplossingen om betere materialen te
maken, worden echter steeds complexer.
Neutronendiffractie kan daarin een sleutelrol spelen, omdat je daarmee
kristalstructuren op atomair niveau kunt
bestuderen van elementen die anders
niet zichtbaar zijn. “Je kunt als het ware
de vingerafdruk maken van hoe atomen
gerangschikt zijn”, vertelt Lambert.
De neutronen poederdiffractometer PEARL die in 2015 bij het Reactor Instituut Delft is geopend, is
letterlijk een parel onder de
diffractometers. “Als het gaat om
de visualisatie van atoomstructuren, behoort PEARL tot de absolute wereldtop”, aldus fysicus
dr. ing. Lambert van Eijck, een
van de grondleggers van PEARL.
Duurzame energie
PEARL is vooral gevoelig voor elementen als waterstof en lithium, die
voorkomen in energiematerialen. Hier is
wereldwijd belangstelling voor, omdat er
een grote behoefte is aan technologische
oplossingen voor duurzame energie, met
als speerpunten nieuwe opslag- en conversiematerialen. “We willen zonne- en
windenergie kunnen opslaan, maar daarvoor is het nodig om te weten hoe water-
PEARL opent deuren voor
nieuwe opslag- en conversiematerialen.
stof zich in opslagmaterialen gedraagt.
Er is ook vraag naar betere batterijen
voor elektrische auto’s, dus moeten we
het gedrag van lithium in batterijen goed
kennen. En om magnetisch koelen door
te kunnen ontwikkelen, moeten we het
gedrag van magneten nauwkeurig onder
de loep kunnen nemen.”
Het maatschappelijk nut van PEARL is
reactor hebben. We kunnen een monster
indirect, maar wél significant. Lambert:
al in een uur tijd analyseren, waar dat bij
“PEARL maakt deel uit van de infra-
sommige andere diffractometers een dag
structuur die nodig is om een bijdrage te
kost.”
leveren aan de oplossing van de huidige
energieproblemen in de wereld.” Dankzij
PEARL kunnen we onderzoek doen aan
energiematerialen. Op basis daarvan
gaat het hopelijk lukken om energieopslagmiddelen te ontwikkelen voor
bijvoorbeeld wind- en zonne-energie en
om slimmere koelmethodes te realiseren,
zoals magnetisch koelen. Overigens kan
PEARL door onderzoekers over de hele
wereld gebruikt worden. Elke wetenschapper die ervaring heeft met röntgendiffractie weet binnen een half uur hoe
onze neutronendiffractometer werkt.”
Slim ontwerp
De kans op gebruik door externen is
groot, omdat PEARL de concurrentie met
de beste diffractometers in de wereld
aankan – zelfs al beschikt Delft over een
tien keer zwakkere neutronenbron. Een
slim ontwerp, ontwikkeld met een collega
uit Australië, ligt hieraan ten grondslag.
Lambert: “Simpel gezegd hebben we
door een optimale combinatie van alle
parameters een instrument dat heel snel
kan meten, ondanks dat we een kleine
Dr. ing. Lambert van Eijck is onderzoeker bij
de onderzoeksgroep Neutron and Positron
Methods in Materials.
overal opgewekt worden, in plaats van in
Batterijen
sneller vol
energie
één centrale”, aldus Wagemaker. “Dus
als je die energie wilt gebruiken op het
moment dat je dat wilt en in de hoeveelheid die je wilt, dan moet je de energie
goed kunnen opslaan. En juist in die
opslag valt er nog veel te verbeteren.”
Minder weerstand
Voor de veelgebruikte oplaadbare Li-ion
batterijen zijn potentiële verbeteringen
Dr.ir. Marnix Wagemaker en zijn
onderzoekers hebben de geheimen blootgelegd van de elektrodes in Li-ion batterijen. “Met die
kennis kunnen we ervoor zorgen
dat batterijen sneller opgeladen
kunnen worden”, aldus Wagemaker. “Een stapje voorwaarts in de
opslag van energie in batterijen,
een van de technologieën die ons
moet helpen met de uitdagingen
die het toekomstige energieprobleem biedt.”
blootgelegd. “Met behulp van neutronen
Batterijen zijn erg belangrijk in onze
deze in werking is. We hebben vooral
maatschappij. Zeker nu we steeds af-
gekeken naar de interne weerstand: die
hankelijker worden van energiebronnen
bepaalt namelijk hoe langzaam en effi-
zoals de wind en de zon, is de opslag
ciënt het opladen en ontladen verloopt.
van energie cruciaal. “Energie komt
Als je de weerstand kent, kun je probe-
immers alleen als het waait of als de zon
ren deze te verlagen, waardoor het op-
schijnt en is bovendien diffuus: het moet
en ontladen sneller kan.”
in onze reactor (en een techniek die
Neutron Depth Profiling: NDP wordt
genoemd) weten we nu exact hoe de Liionen zich in de batterij gedragen, terwijl
Onze ontdekking moet uiteindelijk
leiden tot verbetering in de laadsnelheid van batterijen.
Een verrassend effect werd met NDP
gemeten. Wat bleek? Als de snelheid van
het laden van langzaam naar snel werd
gevarieerd, veranderde het proces van
weerstand! Wagemaker: “Een bijzondere,
maar ook lastige ontdekking. Want dat
betekent dat er voor elke toepassing een
specifieke batterij nodig is voor een optimale laadtoestand. De vraag is nu: geldt
dit alleen voor dit materiaal of ook voor
andere? En kunnen we dit proces voorspellen? We werken dit nu tot in detail
uit met een wiskundig model. Ook NDP
speelt hierbij een belangrijke rol. Je kunt
immers pas een goed model ontwikkelen
als je het experimenteel kunt onder-
Behalve Li-ion batterijen, die met hun
bouwen.”
hoge energiedichtheid geschikt zijn voor
mobiele toepassingen, zijn er nog
Optimale laadsnelheid
diverse andere soorten van batterijen
De Li-ion batterij is in elk geval op drie
voor energieopslag mogelijk en ook
manieren efficiënter te maken.
nodig: denk aan batterijen voor de opslag
Wagemaker: “Indien we die kunnen
van energie uit zonnepanelen die vooral
vertalen in een compleet model, kun-
heel goedkoop moeten zijn. Wagemaker:
nen we een kant-en-klaar recept maken
“Dit roept wetenschappelijke vragen op
waarmee fabrikanten batterijen kunnen
als: zijn er goedkope batterijprincipes
bouwen die sneller zijn op te laden. Voor
mogelijk met een hele lange levensduur?
elke toepassing is er een eigen formule
En: hoe kunnen we nóg meer energie
voor een optimale laadsnelheid. Ook al
opslaan per kilogram batterijmateriaal?
zou dat maar een paar procent ver-
Eén ding weten we zeker: er valt nog
betering betekenen, dan levert dit
veel te winnen in de energieopslag,
wereldwijd gezien toch al een
ten gunste van onze toekomstige ener-
significante efficiencywinst op.”
gievoorziening.”
Dr.ir. Marnix Wagemaker is Associated
Professor bij de Battery Research Group van
de TU Delft.
Bij een alfa radio-isotopentherapie
Nanodragers
verhogen het
effect van
kankertherapie
worden tumorcellen inwendig bestraald.
De patiënt krijgt hiervoor een radioactieve stof (radio-isotoop) ingespoten,
die normaal gesproken gekoppeld is aan
een targeting vector - een molecuul dat
zich bindt aan kankercellen. “De alfadeeltjes die bij deze radio-isotopentherapie worden gebruikt, zijn zeer
geschikt voor het behandelen van kleine
tumoren”, legt Denkova uit. “De deeltjes
zijn namelijk echte energiebommetjes. Je
In de strijd tegen kanker gebruiken artsen steeds vaker inwendige bestraling om uitzaaiingen
te bestrijden, ook wel radio-isotopen-therapie genoemd. Bij
deze bestraling zijn alfa-deeltjes
bijzonder geschikt omdat zij zeer
efficiënt cellen kunnen doden.
Helaas wordt bij deze alfa-therapie ook gezond weefsel aangetast. Dr. Ir. Antonia Denkova
en haar team werken daarom
hard aan de ontwikkeling van
nanodragers: transportmodules
die de schade op de tumor maximaliseren, terwijl het gezonde
weefsel gespaard wordt. De
nanodragers verhogen het effect
van de behandeling dus enorm.
hebt er dus maar weinig van nodig om
het DNA van een kwaadaardige cel mee
kapot te maken. De alfadeeltjes hebben
bovendien geen zuurstof nodig om hun
vernietigende werk te doen, en dat is
Het doel: meer
kankercellen uitschakelen
zonder het omliggende,
gezonde weefsel te
beschadigen.
Dr.ir. Antonia Denkova is assistent professor bij de onderzoeksgroep Radiation and
Isotopes for Health.
nieren. Het is dus belangrijk om grip te
krijgen op die gevaarlijke dochternucliden
en dat is nu precies wat wij beogen met
de nanodragers met alfa radio-isotopen
een groot pluspunt: veel tumoren hebben
die wij ontwikkelen. Zij moeten voor-
namelijk delen die maar weinig of hele-
komen dat de dochternucliden vrijkomen
maal geen zuurstof bevatten.”
en gezond weefsel kunnen aantasten.”
Grip op gevaarlijke dochternucliden
De hamvraag is natuurlijk of de nano-
Op het moment echter dat de radio-
dragers de dochternucliden daad-
isotoop vervalt, komen zogeheten
werkelijk kunnen vasthouden. Dit wordt
recoil-dochternucliden vrij die zelf óók
nauwkeurig bekeken met theoretische
vervallen door het uitzenden van al-
simulaties, die worden uitgevoerd met
fadeeltjes. Denkova: “Deze recoil-doch-
collega’s van een andere sectie. Deze
ters kunnen dan vrij door het lichaam
theoretische benadering wordt vervol-
zwerven en schade toebrengen aan
gens vergeleken met experimentele data.
gezond weefsel, zoals de botten en
Denkova: “Ook doen we cel-
experimenten in 3D tumorballetjes.
Daarin is duidelijk te zien dat de alfadeeltjes heel goed werken. Tegelijkertijd kunnen we op die manier ook zien
hoe dodelijk onze nanodragers met alfa
radio-isotopen voor tumorcellen zijn. En
wat blijkt? De nanodragers worden door
de cellen opgenomen en komen dicht bij
het cel DNA dat in de kern zit. Grote kans
dus dat je het kwaadaardige DNA kunt
beschadigen. Dit gedeelte van het project doen we overigens samen met collega’s van de VUMC en Erasmus MC.”
Stand van zaken
Er zijn inmiddels twee soorten nanodragers ontwikkeld. Beide zijn gemaakt
van macromoleculen, maar één soort
bevat ook metalen nanodeeltjes. In deze
metalen nanodeeltjes is de alfa radioisotoop gestopt om de dochternucliden
beter in de nanodragers te kunnen houden. “We zijn nu volop aan het testen,
maar weten nog niet zeker of de dochternucliden in alle gevallen voor 100%
tegengehouden zullen worden. De eerste
resultaten zijn echter zeer hoopgevend.”
Reactor
Institute
Delft
Meer weten?
rid.tudelft.nl
watisradioactievestraling.tudelft.nl
Contact?
Reactor Instituut Delft
Mekelweg 15, 2629 JB, Delft
+31 (0)15 278 5052
[email protected]