MYRRHA’s 'oven' bereikt doeltemperatuur

SCK CEN doet radio-isotopen rijzen

De oven – ISOL@MYRRHA’s ‘target container’ – slaagt voor eerste integriteitstest

Ingenieurs van SCK CEN bouwden ISOL@MYRRHA’s target container: een soort oven tot 2400°C. In die ‘oven’ zal SCK CEN vanaf 2027 radio-isotopen produceren voor medische toepassingen en fundamenteel onderzoek. De eerste succesvolle integriteitstest heeft het onderzoekscentrum al achter de rug. “De temperatuurmeter liep vlot op: een onbeschrijflijk gevoel”, vertelt Lucia Popescu, een van de drijvende krachten achter dit project.

Toen Lucia Popescu en haar collega-ingenieurs in 2019 na lange voorbereiding de target container van ISOL@MYRRHA in het stopcontact plugden, kleurde die meteen oranjerood. De oven – met een diameter van amper 4 cm – bereikte feilloos een temperatuur van meer dan 2000°C. “We hebben met z’n allen naar dit moment toegeleefd", zegt Popescu, onderzoekster in de kernfysica. “Dat we de beoogde temperatuur moeiteloos behaalden, is een onbeschrijflijk gevoel.”

Target container

Waarvoor dient de target container? Popescu: “SCK CEN werkt momenteel intensief aan de bouw van MYRRHA, ‘s werelds eerste door een deeltjesversneller aangedreven onderzoeksreactor. De bouw van MYRRHA verloopt in verschillende fasen. In fase 1 bouwen we MINERVA, de deeltjesversneller met een energie tot 100 megaelektronvolt (MeV). In een volgende fase zullen we het energieniveau tot 600 MeV optrekken. Die energie is nodig om alle geplande activiteiten, en dan voornamelijk de demonstratie van transmutatie, in de MYRRHA-onderzoeksreactor te kunnen uitvoeren. De eigenlijke onderzoeksreactor zal in de derde en laatste fase gebouwd worden, die loopt tot 2036.”

Bij een energieniveau van 100 MeV wordt de protonenbundel afgetakt. Vijf procent wordt naar een ISOL-installatie (Isotope Separation On-Line) in de Proton Target Facility (PTF) gestuurd. Die vijf procent schiet door de trefschijven in de target container van ISOL@MYRRHA. “De trefschijven zijn ongeveer een muntstuk groot, amper 1 millimeter dik en van een poreus materiaal vervaardigd”, legt Popescu uit. “Door de energie die de protonenbundel afzet, klimt de temperatuur in de target container naar ongeveer 2000°C. Daardoor kunnen de radio-isotopen uit de trefschijven verdampen. In het hart van de PTF gebeurt dus de magie. Daarmee kunnen we met de ontwikkeling van de theranostische radio-isotopen – radio-isotopen voor therapeutische behandeling of diagnostisch onderzoek – van start gaan. De target container zelf zit in een vacuümkamer, die met water gekoeld wordt.”

Eenmaal de radio-isotopen uit de schijven ontsnappen, beginnen ze te zwerven. Ze botsen overal tegenaan, tot ze een piepkleine opening in de target container vinden. Popescu: “Dat is de zogenaamde transfertbuis, die de isotopen naar een ionisator brengt. Vervolgens worden ze in een elektrisch veld versneld, door een magnetisch veld gescheiden op basis van massa. Dat laatste is heel belangrijk. Een stof als actinium-225 heeft bijvoorbeeld een halfwaardetijd van 10 dagen, actinium-227 een halfwaardetijd van meer dan 20 jaar. Het is dus cruciaal dat we de juiste massa selecteren. Op het einde van de rit worden de isotopen verzameld.”

Uniform temperatuurprofiel

Allereerst moeten de isotopen de transfertbuis kunnen bereiken. Daarin speelt een uniform temperatuurprofiel een doorslaggevende rol. “Sommige radio-isotopen zijn allesbehalve vluchtig en hebben 2000°C nodig om te kunnen verdampen”, weet Popescu. “Als de wand van de target container ergens kouder is en een radio-isotoop ertegen botst, durft die zich aan de wand vast te hechten. Op die manier zouden we veel radio-isotopen verliezen. Dat is uiteraard niet de bedoeling. Daarom streven we naar een uniform temperatuurprofiel."

"De protonenbundel verwarmt de trefschijven door energie af te zetten. De trefschijven stralen op hun beurt de warmte af op de target container. Door de schijven op een specifieke afstand van elkaar te plaatsen, kunnen we een uniform temperatuurprofiel verzekeren. Als de deeltjesversneller uitgeschakeld wordt of er een onderbreking van de protonenbundel is, houden we de temperatuur met elektrische stroom op peil. De target container dient dan als ‘oven’, die de radio-isotopen doet verdampen. Het is de laatste manier van verwarmen die we hebben uitgetest in onze in-house vervaardigde oven.”

SCK CEN en TRIUMF slaan handen in elkaar

SCK CEN en de Canadese onderzoeksinstelling TRIUMF slaan de handen in elkaar. Beide partners engageerden zich om multidisciplinaire expertise en infrastructuren uit te wisselen. Ze voegden meteen de daad bij het woord, want TRIUMF deelde het ontwerp van ARIEL met SCK CEN. ARIEL staat voor Advanced Rare Isotope Laboratory en is het vlaggenschip van TRIUMF.

Andere uitdagingen

Met de nieuwe ISOL-installatie wil TRIUMF zeldzame radio-isotopen produceren. Het ontwerp van ISOL@MYRRHA zal lijken op dat van ARIEL. “Uitgezonderd het ontwerp van de target assembly”, beklemtoont Lucia Popescu. “Bij MYRRHA wordt de protonenbundel al bij een energieniveau van 100 MeV op het doelwit afgevuurd, terwijl de protonenbundel van ARIEL pas bij 500 MeV afbuigt. Dat brengt heel andere uitdagingen mee. Eenmaal de radio-isotopen verdampt zijn, is de werking wel hetzelfde.” Het samenwerkingsakkoord werd in 2019 ondertekend door Eric van Walle, directeur-generaal van SCK CEN, en Jonathan Bagger, directeur van TRIUMF.

Materiaaltesten

In 2019 werd de ‘oven’ een eerste keer uitgetest door hem elektrisch te verwarmen. De doeltemperatuur werd bereikt, het vacuüm bleef in stand en de koeling verliep vlot. Volgend jaar controleren de onderzoekers of een uniform temperatuurprofiel verzekerd kan worden. Verder bestuderen ze hoe het materiaal van de target container op de extreme omstandigheden reageert. “Hoge temperaturen, thermische schokken, een vacuüm omgeving … Al die factoren kunnen de integriteit van het materiaal aantasten. Het materiaal kan bijvoorbeeld smelten, waardoor de porositeit dichtslibt en de radio-isotopen in de schijven gevangen zitten. Of er ontstaan barsten in de target container, waarlangs radio-isotopen verloren gaan. We kijken ernaar uit om de constructie op punt te stellen”, besluit Popescu.

MYRRHA’s injector levert eerste protonen

De deeltjesversneller wordt op dit moment gebouwd in het Cyclotron Resources Centre in Louvain-la-Neuve. De opstelling in Louvain-la-Neuve beperkt zich tot 5,9 MeV. Dat lage-energiegedeelte – de injector – is uitermate belangrijk voor het gedrag van de protonenbundel tijdens de versnelling. Het bepaalt in feite de betrouwbaarheid van de versneller. Daarom schenkt SCK CEN veel aandacht aan het uitgebreid testen ervan.

Componenten samenbrengen

“Alle onderdelen werden afzonderlijk getest. In maart 2019 was de tijd rijp voor de volgende fase: alle componenten tegelijk laten werken”, aldus Dirk Vandeplassche, fysicus en specialist in deeltjesversnellers. Een succesvolle fase, zo bleek al snel, want de eerste protonen rolden moeiteloos uit de ionenbron. Vandeplassche licht toe: “De ionenbron levert de protonen, waarvan de energie steeds verhoogd wordt. Eerst in de Radio Frequency Quadrupole (RFQ) en daarna door een aaneenschakeling van magneten en caviteiten. Voor die versnelling is een bepaald vermogen nodig. Dat vermogen wordt geleverd door krachtige versterkers. Onze versterkers werden ontworpen en gebouwd door het Belgische bedrijf IBA.” De onderzoekers hebben de eerste protonen geanalyseerd en voorbereidingen getroffen om ze in de RFQ te kunnen injecteren. Het injecteren van de protonenbundel staat op de planning voor 2020.

Verhuis naar Mol

Eenmaal het lage-energiegedeelte volledig op punt staat, zal het energieniveau van de deeltjesversneller stapsgewijs opgedreven worden. “In een eerste fase bouwen we MINERVA, de deeltjesversneller met een energie tot 100 MeV om met de ontwikkeling van innovatieve, medische radio-isotopen van start te gaan en materiaalonderzoek uit te voeren. In een tweede fase willen we een energieniveau tot 600 MeV bereiken. Voordat het zover is, moet de deeltjesversneller naar Mol verhuizen. Alle voorbereidingen voor het gebouw waarin MINERVA zal huisvesten, zijn in volle gang”, besluit Vandeplassche.

Wetenschappelijke vooruitgang is de motor achter technologische ontwikkeling. Technologische ontwikkeling schept op zijn beurt weer nieuwe onderzoeksmogelijkheden en stimuleert op die manier de wetenschap. Beide aspecten kunnen niet als communicerende vaten op elkaar inspelen zonder onderzoekers als verbindende factor. Onderzoekers uit verschillende disciplines die hun krachten bundelen. Een werkomgeving waar zij hun ideeën kunnen uitwisselen, maakt daar het hart van uit. We trachten dan ook onze interdisciplinaire omgeving te waarborgen om onze ambitieuze doelstellingen te behalen.

— Marc Schyns (Geavanceerde Nucleaire Systemen)