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]