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.

Foto van Prins Bernard en andere genodigden die de reactor op de tentoonstelling ‘Het Atoom’ bekijken. Bron: www.fotoleren.nl.

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.

De Hoger Onderwijs Reactor (HOR) in Delft in aanbouw. Bron: www.repository.tudelft.nl.

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.

Het opstarten van de Hoger Onderwijs Reactor (HOR) in Delft.

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.

Het beladen van het subkritische ensemble opgebouwd uit grafiet en natuurlijk uranium. Beneden staat Fons van der Heijden die later hoofd van de Hoger Onderwijs Reactor zou worden. Op het ensemble is Hugo van Dam bezig met het insteken van de uraniumstaven. Bron: Hugo van Dam.

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.

Subkritisch ensemble opgebouwd uit staven van natuurlijk uranium in water.

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.

Subkritisch ensemble opgebouwd uit uraniumstaafjes van lichtverrijkt uranium in water.

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 Biologisch Agrarische Reactor Nederland (BARN) in Wageningen. De BARN was in bedrijf van 1963 tot 1980. Bron: www.kernenergieinnederland.nl.

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.

De Atoomreactor TH-Eindhoven Nederland (ATHENE). De ATHENE was in bedrijf van 1969 tot 1973. Bron: www.tuencyclopedie.nl.

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.

De KEMA Suspensie Test Reactor (KSTR). De KSTR was in bedrijf van 1974 tot 1977. Bron: A. van der Vliert.

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.

Dr. Hans Kleijn was van 1963 tot 1970 hoofd van de vakgroep Reactorfysica.

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.

Prof. Hugo van Dam was van 1972 tot 1997 hoofd van de vakgroep Reactorfysica en van 1980 tot 2003 actief hoogleraar. Bron: Hugo van Dam.

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.

Foto van de vakgroep uit 16 april 1992.

Prof. Tim van der Hagen was van 1997 tot 2010 hoofd van de sectie ‘Physics of Nuclear Reactors’.

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.

Prof. Jan Leen Kloosterman is vanaf 2010 hoofd van de sectie ‘Nuclear Energy and Radiation Applications’. Foto: Marcel Krijger.

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.

Collage van foto’s van de medewerkers van de sectie NERA in 2016.

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:

• Hugo van Dam en Frida de Jong, Geboeid door Straling en Strategie, ISBN 90 5730 232 2, 2003.
• J.A. Goedkoop, Een Kernreactor Bouwen, ISBN 90 75541 01 5, 1995.
• http://www.geheugenvannederland.nl/
• http://www.kernenergieinnederland.nl/

For more information, please contact  j.l.kloosterman (at) tudelft.nl