In december 1953 gaf Eisenhower zijn beroemde ‘atoms for peace’ rede voor de Verenigde Naties in New York. De deal was uitwisseling van kennis op het gebied van nucleaire technologie voor vreedzame toepassingen in ruil voor controle op non-proliferatie van die kennis. Hiertoe wilde Eisenhower een controleagentschap oprichten onder auspicien van de VN. Dat is daadwerkelijk gebeurd en staat sinds 1957 bekend als de IAEA in Wenen. Maar wat is eigenlijk de aanleiding van Eisenhower geweest tot deze openheid op nucleair gebied en welke rol heeft Nederland hierin gespeeld?
De wetenschap was in de jaren dertig en veertig van de vorige eeuw in beroering door de eerste kunstmatige kernsplijting in 1938 uitgevoerd door Otto Hahn en Fritz Strassman en de verklaring hiervoor in 1939 door Lisa Meitner en Otto Frisch. Al in 1942 lukte het de Italiaanse wetenschapper Enrico Fermi om de eerste kunstmatige kettingreactie tot stand te brengen in een stapeling van grafiet en natuurlijk uranium in de kelders van een honkbalstadium in Chicago. Deze reactor is later bekend geworden als de Chicago Pile 1 (CP1).
Tijdens de Tweede Wereldoorlog vond in Nederland geen onderzoek plaats op dit gebied, maar direct na de oorlog werd een nieuwe organisatie opgericht die zich moest bezighouden met onderzoek naar de atoom- en kernfysica. Dat was de stiching Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) die in april 1946 werd opgericht. Bijna parallel hieraan (1948) besloot ook de KEMA in Arnhem om kernenergieonderzoek te starten met als doel om op termijn commerciële reactoren in Nederland te kunnen bouwen. Dit onderzoek zou al snel getrokken worden door Dr. Jan Went.
Gelukkig had Nederland voor de Tweede Wereldoorlog enkele vooruitziende wetenschappers, waaronder Prof. W.J. de Haas in Leiden. Op diens initiatief werd door de Nederlandse regering in 1939 een hoeveelheid van 10 ton ‘gele oker’ of ‘yellow cake’ verpakt in 200 vaatjes van elk 50 kilo gekocht. Deze vaatjes werden in eerste instantie opgeslagen in Leiden, maar vlak voor het uitbreken van de oorlog overgebracht naar de kelder van het hoofdgebouw van de TH Delft aan de Julianalaan, waar ze nooit ontdekt zouden worden door de Nazi’s. Deze aankoop vond plaats onder de dekmantel van de Delftse Glasfabrieken, zodat het leek alsof het uranium gebruikt zou worden voor het kleuren van glas.
Maar wat te doen met de yellow cake? Nederland had niet de techniek in huis om deze uraniumverbinding om te zetten in uraniumdioxide of in uraniummetaal. Noch had Nederland de technologie om het uranium te verrijken, wat een vereiste is om een kettingreactie met gewoon water als moderator tot stand te kunnen brengen. Met natuurlijk uranium heb je namelijk zeer zuiver grafiet of zwaar water nodig als moderator. Dat laatste is water waarin de lichte isotoop van waterstof, dat relatief veel neutronen absorbeert, is vervangen door deuterium.
Er werd onderhandeld met de Fransen om zowel grafiet als uranium te verkrijgen. Het eerste lukte wel, maar uranium kon Nederland alleen krijgen onder strikte voorwaarden, waardoor het Franse Commissariat a l’Energie Atomique (CEA) een grote stem zou krijgen in het Nederlandse onderzoek. Dat ketste hierop af.
Dus werd er ingezet op de toepassing van zwaar water, waarmee samenwerking met Noorwegen in beeld kwam. De Noren hadden namelijk als enige in Europa een zwaarwater fabriek en waren voor de diverse laboratoria in Europa hofleverancier. Ook de eerste Franse reactor was een nulvermogensreactor opgebouwd uit staven van uraniumdioxide in een bad van zwaarwater geleverd door de Noren.
FOM ging daarom samenwerken met het juist opgerichte ‘Institutt for Atomenergii’ (IFA) in Kjeller, Noorwegen. Via een deal met de Engelsen kon in 1951 de helft (103 vaten) van de Nederlandse yellow cake voorrraad geruild worden tegen 3000 kg uraanstaven, die samen met een financiële en personele bijdrage de Nederlandse inbreng vormden in het gezamenlijke project ‘Joint Establishment for Nuclear Energy Research’ (JENER).
In Kjeller werd intussen door de Noren hard gewerkt aan een reactor genaamd JEEP (‘Joint Establishment Experimental Pile’) waarin het Nederlandse uranium gebruikt zou worden als splijtstof. JEEP werd op 30 juli 1951 voor het eerst kritiek en in 1952 op vol vermogen (250 kW) gebracht. Vanaf die tijd werd er met de neutronbundels volop fundamenteel onderzoek gedaan aan materialen.
De samenwerking was een groot succes en JEEP trok internationaal veel aandacht. In de zomer van 1953 werd dan ook in Noorwegen het eerste internationale congres over kernenergie gehouden. Er waren zoveel bezoekers dat de conferentie in Oslo gehouden moest worden in plaats van in Kjeller.
Intussen werd in Noorwegen hard gewerkt aan een vervolg op JEEP. In de samenwerkingsovereenkomst met Nederland stond namelijk dat na de inbedrijfname van JEEP gewerkt zou gaan worden aan een onderzoeksreactor voor Nederland. Deze reactor zou wederom natuurlijk uranium en zwaar water als basis hebben. Op de conferentie werden echter door Amerikaanse deelnemers presentaties gehouden over onderzoeksreactoren met hoogverrijkt uranium en gewoon water als moderator.
Er is natuurlijk nooit één reden aan te wijzen voor een beleidswijziging, maar het succes van de Noors-Nederlandse samenwerking en het succes van de eerste conferentie op kernenergiegebied zal zeker bijgedragen hebben aan het besef bij de Amerikanen dat ze hun nucleaire kennis niet geheim zouden kunnen houden en dat ze beter proactief en onder eigen voorwaarden deze kennis konden delen. Op deze wijze hadden ze tevens de mogelijkheid hun eigen technologie te vermarkten voordat andere landen concurrerende reactortypen zouden ontwikkelen.
Na de aankondiging van het atoms for peace programma gingen er in Nederland steeds meer stemmen op om een onderzoeksreactor te bouwen met hoogverrijkt uranium als splijtstof en gewoon water als moderator en koelmiddel. Reeds in januari 1954 werd door FOM een voorstel tot de bouw van een 10 MW onderzoeksreactor ingediend bij de ministeries van Onderwijs, Economische Zaken en Financiën. Tegelijkertijd doofde de interesse in Nederland voor de reactor die in Noorwegen werd ontworpen en intussen was omgedoopt tot ‘Natural-Uranium Power-Only-Pile’ (NUPOP).
Hier komt in dit overzicht voor het eerst Went voor. Went was in 1935 gepromoveerd bij Ornstein in Utrecht en in 1951 in dienst getreden bij de KEMA in Arnhem. Zijn interesse betrof een variant op een idee van Weinberg die in de VS werkte aan homogene-vloeistof reactoren. Went wilde een suspensie van kleine splijtstofkorreltjes in water rondpompen door metalen buizen gestoken in een zwaarwaterbad. Dit concept heette SLURRYPOP of SUSPOP. Door discussie met Walter Zinn, die nog met Fermi grafiet had gestapeld voor de CP1, en waarschijnlijk ook met Alvin Weinberg die samen met Went in 1953 op de conferentie in Oslo was, evolueerde dit idee in de KEMA Suspensie Test Reactor (KSTR), die veel gelijkenis zou vertonen met de homogene reactoren van Weinberg.
Intussen werd voor de bouw van de onderzoeksreactor op 6 juli 1955 het Reactor Centrum Nederland (RCN) opgericht waarvan Milatz, tot dat moment penningmeester bij FOM, de eerste directeur werd. Went heeft samen met Milatz de specificaties opgesteld voor de Hoge Flux Reactor (HFR), zoals de nieuwe reactor zou gaan heten, en is enige tijd later met drie anderen afgereisd naar de VS om de reactor uit te kiezen. Het werd een kopie van de ‘Oak Ridge Research Reactor’ (ORR), maar met een speciale bestralingsfaciliteit waarin een kringloop geplaatst kon worden. Dit was een idee van Went om zijn suspensiereactor te kunnen testen in een stralingsveld. De HFR werd in 1956 besteld en zou in 1963 op vol vermogen komen.
De bouw van de HFR in Petten viel tegen en liep vertraging op. Om het moreel van het RCN personeel op peil te houden, werd in allerijl een kleine testreactor besteld en gebouwd. De keuze viel op een Engelse Argonaut reactor die eind 1959 werd besteld en al op 28 september 1960 voor het eerst kritisch werd. De reactor had een vermogen van 10 kW en werd vooral gebruikt voor het opleiden van toekomstig HFR personeel. De LFR werd in eerste instantie gebouwd in een schuur, maar vond vanaf augustus 1962 onderdak in het nieuwe Fermi gebouw op het RCN terrein. De reactor gebruikte 90% verrijkte splijtstof die niet hoefde te worden gewisseld omdat het reactorvermogen en de splijtstofopbrand zeer laag waren. Hiermee was de LFR trouwens niet de eerste werkende kernreactor in Nederland.
Behalve dat was besloten tot de bouw van de HFR, werden ook plannen gesmeed voor een kernreactor voor onderwijsdoeleinden. Getuige het advies van Prof. H. Kramers zou dit een ’swimmingpool’ type reactor moeten worden met een vermogen van 100 kW te bouwen in Delft, dichtbij de TH gebouwen.
Intussen moesten er ook mensen worden opgeleid in het nucleaire vakgebied. Vanaf 1955 werden er in Delft vakantieleergangen georganiseerd, nu zouden we dat ‘summer schools’ noemen, door de hoogleraren Boon, Korvezee, Kramers en Went. Went werd vanaf september 1956, naast zijn functie bij de KEMA waar hij het kernenergieonderzoek leidde, ook buitengewoon hoogleraar (deeltijdhoogleraar) in de ‘Constructie en Toepassing van Kernreactoren’. Hiermee was de start van de vakgroep Reactorfysica aan de TH Delft een feit.
In aanloop naar de bouw van een onderwijsreactor besloot de Nederlandse regering in 1956 een kleine Amerikaanse kernreactor te kopen met een leveringsovereenkomst voor de splijtstof. Deze reactor zou eerst aan het grote publiek getoond worden tijdens een grote tentoonstelling op de luchthaven Schiphol genaamd ‘Het Atoom’. De reactor had een vermogen van 10 kW en gebuikte uraniumplaatjes in aluminium als splijtstof met een uraniumverrijking van 20%.
Behalve dat Prins Bernard de tentoonstelling heeft geopend door met een staafje uranium langs een Geigerteller te bewegen, heeft hij ook de reactor in werking gesteld. Nu verloopt het starten van een kernreactor, ook al is het slechts een kleine demonstratiereactor, niet zo snel. De natuurwetten werken dit eigenlijk tegen door een fractie van de neutronen die bij splijting vrijkomen vertraagd vrij te geven. Prins Bernard heeft dan ook met de openingshandeling slechts een paar felle lampen gedoofd, waardoor de blauwe Cherenkov straling van de reeds werkende reactor zichtbaar werd.
Na afloop van de tentoonstelling op Schiphol werden de belangrijkste onderdelen en de splijtstof overgebracht naar Delft in afwachting van toepassing in de Hoger Onderwijs Reactor (HOR), zoals de nieuwe reactor zou gaan heten. Omdat de kwaliteit van de 20% verrijkte splijtstof onvoldoende was, werd uiteindelijk besloten tot het gebruik van hoogverrijkte splijtstof en werden de laagverrijkte splijtstofelementen teruggezonden naar de VS. De reactor in Delft zou dus in bedrijf gaan met 93% verrijkte splijtstof. Pas in 2005 zou de HOR volledig overgaan op 20% verrijkte splijtstof, hetgeen mogelijk was geworden door de ontwikkeling van silicidesplijtstof met een hogere uraniumdichtheid.
Ook de resterende vaatjes yellow cake werden bij het Reactor Instituut Delft (RID) opgeslagen totdat deze later een bestemming vonden in de splijtstof van de Kerncentrale Dodewaard.
En zo komt het dus dat de Hoger Onderwijs Reactor in Delft voor het eerst kritisch werd op 24 april 1963. U ziet hier de start van de reactor onder leiding van Dr. Kleijn.
De TH in Delft had al wat eerder nucleaire ervaring opgedaan met een subkritisch ensemble bestaande uit uranium in een grafietstapeling; een structuur die erg leek op de CP1 van Enrico Fermi in 1942. Deze experimenten werden uitgevoerd in een barak aan de Ezelsveldlaan, omdat het Reactor Instituut Delft en de HOR nog in aanbouw waren. De hoeveelheid van 40 ton grafiet die hiervoor werd gebruikt was gekocht in Frankrijk, terwijl het uranium werd gehuurd van de ‘Atomic Energy Commission’ (AEC) in de VS.
Toen de HOR gereed kwam werd het grafiet gebruikt voor de thermische kolom aan de oostzijde van de reactor. Het uranium werd later gebruikt in een subkritisch ensemble met water als moderator.
Intussen is het oude subkritisch ensemble inclusief de splijtstof afgevoerd naar COVRA en vervangen door de DELPHI faciliteit waarin lichtverrijkte splijtstofstaafjes (3,8%) in een vat gevuld met water kunnen worden geplaatst. De maximale vermenigvuldigingsfactor bedraagt 0,92. De staafjes zijn afkomstig van het RCN waar ze zijn gebruikt in het PUK subkritische experiment aangedreven door neutronen van de LFR. Daarvòòr werden de splijtstofstaafjes gebruikt in de kritieke nulvermogensreactor KRITO van het RCN. De naam PUK staat dan ook voor ‘Portie Uit Krito’. KRITO is lange tijd in gebruik geweest voor de ‘STEK’ experimenten gericht op het meten van werkzame doorsneden (STEK staat voor ‘Snelle en Thermische Experimenten in KRITO’).
De HOR was echter niet de enige en zelfs niet de eerste onderwijsreactor in Nederland. Op 9 april 1963, dus 15 dagen voordat de HOR kritisch werd, werd in Wageningen de Biologisch Agrarische Reactor Nederland (BARN) gestart. Dit gebeurde ook onder leiding van Dr. Kleijn. De BARN had net als de HOR een vermogen van 100 kW en was geheel in Nederland ontworpen en gebouwd, maar gebruikte wel 90% verrijkte splijtstof uit de VS. Hij werd uitsluitend gebruikt voor de bestraling van biologisch materiaal. De BARN reactor was het onderzoeksinstrument van het Instituut voor Toepassing van Atoomenergie in de Landbouw (ITAL) dat op 7 januari 1957 was opgericht.
Vervolgens kwam er ook nog gedurende een korte tijd een derde onderwijsreactor in Nederland in bedrijf, namelijk de Atoomreactor TH Eindhoven Nederland (ATHENE). De bouw ervan begon in 1966 en in 1969 werd de rector voor het eerst kritisch. Het nut ervan was echter omstreden en al in 1973 werd de reactor stilgelegd omdat hij te duur was en de kosten niet opwogen tegen de baten. ATHENE was net als de LFR in Petten een Argonautreactor met een vermogen van 10 kW en gebruikte hoogverrijkt uranium (93%) als splijtstof.
Prof. Jan Went was tot 1963 hoofd van de vakgroep, maar zou pas in 1973 zijn uittreerede houden. Het onderzoek van Went in Delft was vooral gericht op het ontwerp van de HOR en de bestralingsfaciliteiten zoals de bundelbuizen. Zijn echte kernenergieonderzoek werd voornamelijk uitgevoerd bij de KEMA in Arnhem, waar hij een geheel nieuwe reactorlijn ontwikkelde gebaseerd op een suspensie van kleine splijtstofkogeltjes in water. De foto’s hierboven tonen de KEMA Suspensie Test Reactor (KSTR) die gedurende korte tijd bij de KEMA in Arnhem in bedrijf is geweest.
Na Went werd Dr. Hans Kleijn, die toen lector was, gedurende enkele jaren hoofd van de vakgroep Reactorfysica. Zoals eerder vermeld had Kleijn al lange ervaring in het vakgebied en had hij de leiding in de opstartfase van zowel de BARN als de HOR. Onder leiding van Kleijn werd meer aandacht besteed aan snelle kweekreactoren die met vloeibaar metaal werden gekoeld.
Eind 1971 kreeg Prof. Hugo van Dam de leiding over de vakgroep Reactorfysica, eerst als lector en vanaf 1980 als hoogleraar. Het werk aan snelle kweekreactoren, dat enkele jaren ervoor nog zo veelbelovend leek, werd afgebouwd en vervangen door reactorveiligheid en reactorruis. Ruisanalyse zou een doeltreffende manier blijken om niet-intrusief onregelmatigheden of zelfs anomaliën in het reactorbedrijf te kunnen opsporen. Het onderzoek werd voornamelijk uitgevoerd door de promovendus Erik Kleiss in nauwe samenwerking met de Gemeenschappelijk Kernenergiecentrale Nederland (GKN) in Dodewaard waar ruismetingen werden verricht om te onderzoeken of op deze wijze koelmiddelsnelheden konden worden bepaald. Dat gaat nu eenmaal beter in kokendwaterreactoren met sterke kookverschijnselen dan in een drukwaterreactor. Ook werd de ontwikkeling van Monte Carlo rekenmethoden één van de speerpunten van de vakgroep. Dat onderzoek werd getrokken door Dr. Eduard Hoogenboom.
Dodewaard was ook de voorloper van een type kerncentrale dat de koelmiddelstroom in stand kan houden zonder gebruik te maken van primaire koelmiddelpompen. Ook dat werd in het kader van stabiliteitsanalyse van kerncentrales een uitgebreid onderzoeksonderwerp. Nadat Erik Kleiss dit onderzoek had opgezet, is Tim van der Hagen hierop enkele jaren later gepromoveerd. Het bovengenoemde veiligheidsprincipe is later toegepast in de ‘Economic Simplified Boiling Water Reactor’ (ESBWR) van General Electric.
Onder leiding van Hugo van Dam werd ook uitgebreid onderzoek gedaan naar de vorming en effecten van stralingsschade in materialen. Niet alleen voor toepassing in kernsplijtingsreactoren, maar ook in kernfusiereactoren. De dagelijkse leiding van dit onderzoek was in handen van Dr. Tom van Veen, die later zijn eigen onderzoeksgroep zou leiden en tevens deeltijdhoogleraar zou worden aan de universiteit in Groningen. Groot was de opwinding toen Fleischmann en Pons in 1990 over koude kernfusie publiceerden en de groep daar gelijk op in sprong door de experimenten van Fleischmann en Pons te herhalen om de resultaten te reproduceren. Dat laatste is helaas nooit gelukt.
In 1997 nam Prof. Tim van der Hagen de leiding van de vakgroep over. Dit leidde wederom tot een verbreding van het onderzoek en om die reden werd de naam veranderd van Reactorfysica naar ‘Physics of Nuclear Reactors’ (PNR). Ook stabiliteit en thermo-hydraulica werden belangrijke onderzoekthema’s. De twee belangrijkste reactortypen waar onderzoek aan werd gedaan waren de kokendwaterreactor met natuurlijk circulatie en de Hoge Temperatuur Reactor (HTR) met helium als koelmiddel. Natuurlijk werd ook nog onderzoek gedaan naar meer exotische reactortypen, zoals de gefluïdiseerde bed reactor.
Het laatste decennium van de geschiedenis van de vakgroep wordt wederom gekenmerkt door een verbreding van het onderzoek. Om die reden is de naam van de groep veranderd in ‘Nuclear Energy and Radiation Applications’ (NERA).
Nog steeds is experimenteel werk een belangrijk onderdeel van ons onderzoek, maar het is nu meer gericht op onderzoek naar transport van warmte en massa in kerncentrales. De groep kijkt in detail naar de warmte-overdracht in complexe geometriën, zoals een kogelbed in een HTR, of naar warmte-overdracht met complexe vloeistoffen zoals superkritiek water en gesmolten zout. Dit onderzoek staat onder leiding van Dr. Martin Rohde.
De tweede poot is nog steeds de traditionele reactorfysica, maar met een sterke oriëntatie op numerieke analyse van stralingstransport en met veel aandacht voor de koppeling tussen diverse disciplines, zoals neutronica en ‘Computational Fluid Dynamics’ (CFD). Dat allemaal gecombineerd met de doorwerking van onzekerheden. Dit onderzoek staat onder leiding van Dr. Danny Lathouwers.
Verder hebben wij sinds enkele jaren een leerstoel op het gebied van de Chemie van de Splijtstofcyclus, die vanuit JRC-Karlsruhe wordt ingevuld door Prof. Rudy Konings en lokaal wordt bemensd door Dr. Anna Smith.
Het laatste onderwerp richt zich op medische toepassingen, zoals de productie en afscheiding van radionucliden en op numeriek onderzoek aan optimalisatie van stralingsbundels, zoals neutronbundels voor ‘Boron Neutron Capture Therapy’ (BNCT) en protonbundels voor bestraling van tumoren. Dit onderzoek zal binnenkort worden versterkt met Dr. Zoltán Perkó.
We zijn in ons onderzoek gedeeltelijk terug waar Went begonnen is. Eén van de belangrijkste onderzoekthema’s in de onderzoeksgroep is de gesmolten zout reactor of ‘Molten Salt Reactor’ (MSR), die in concept heel erg lijkt op de KSTR van Went. Alleen wordt in de MSR geen suspensie gebruikt, maar een homogene vloeistof, waardoor de problemen van slijtage en instabiliteit waar Went mee worstelde vermeden kunnen worden.
In een recent onderzoeksvoorstel willen wij samen met NRG in Petten een kringloop ontwerpen voor bestraling van splijtstofzouten in de HFR. Dit is mogelijk omdat de HFR als enige onderzoeksreactor ter wereld hiervoor een speciale faciliteit heeft. Het onderzoek dat wij vandaag doen zou niet mogelijk zijn zonder de vooruitziende blik van Went in de begintijd van het nucleaire tijdperk in Nederland.
Hierboven ziet u de groep anno 2016. Wij zien de toekomst vol vertrouwen tegemoet, want ons werk is nog niet af. We zullen blijven veranderen en altijd onze energie en creativiteit richten op de behoeften van de samenleving op de gebieden van energie en gezondheid.
Enkele referenties:
For more information, please contact j.l.kloosterman (at) tudelft.nl |
![]() |