Risøs flagskib var en forsøgsreaktor til Big Science

Danmarks største forsøgsreaktor, DR3, var tiltænkt en afgørende rolle i forbindelse med indførelse af atomkraft i den danske elforsyning, men den viste først og fremmest sit værd som en unik og efterspurgt neutronkilde.

Alan M. Weinberg, direktør for Oak Ridge National Laboratory i USA, lancerede i 1961 begrebet Big Science:

»Når historikere ser tilbage på det 20. århundrede, vil de se Big Science-monumenterne - enorme raketter, højenergiacceleratorer, forsøgsreaktorer - som tidens symboler, på samme måde som Notre Dame er et symbol på middelalderen,« skrev han i Science.

DR3 var en Big Science-facilitet.

Neutroner kan bruges til materialestudier på samme måde som eksempelvis røntgenstråling og kan anvendes med fordel i visse situationer. De er f.eks. bedre egnet til at undersøge positioner af lette atomer som hydrogen end røntgenstråling. Da neutroner er uden ladning, kan de trænge dybt ind i materialet.

Når Danmark og Sverige i dag står for opbygningen af et avanceret neutronstrålingsanlæg i Lund i Skåne, European Spallation Source (ESS), sker det i høj grad med udgangspunkt i den viden og de erfaringer, der blev høstet med DR3 som en stor europæisk neutronfacilitet.

DR3 blev i sine første år anvendt i forbindelse med en række reaktorteknologiske forsknings- og udviklingsprojekter. Men det var som en neutronkilde i verdensklasse, at den langt op i 1990’erne årligt tiltrak et par hundrede forskere fra hele verden.

Industrien fik bestrålet prøver

Reaktoren blev også brugt til en lang række erhvervsmæssige formål, f.eks. undersøgelser af boreprøver fra Nordsøens undergrund i 1970’erne. Når prøverne var bestrålet, kunne man bestemme deres indhold af forskellige grundstoffer. Denne viden kunne bruges til at fastslå undergrundens geologiske historie - og dermed potentialet for at finde olie og gas.

Den største industrielle udnyttelse af DR3 var dog til produktion af NTD-silicium, som dækker over betegnelsen ‘neutron transmutation doping’. Ved bestråling med neutroner er det muligt at omdanne en del af siliciumatomerne i en siliciumkrystal til fosfor og dermed skabe et materiale til anvendelse inden for halvlederindustrien.

Det blev Isotoplaboratoriet ved Risø, der kom til at stå for den opgave. Laboratoriets daværende leder, civilingeniør, dr.techn. Kaj Heydorn, fortæller i dag, at Risø stod for omkring en fjerdedel af verdensmarkedet. Det er en ny vurdering, han er kommet frem til, efter at Ingeniøren har gjort ham opmærksom på en rapport fra sidste år fra Det Internationale Atomenergiagentur, der indeholder en vurdering af totalmarkedet for NTD-silicium i 1990’erne, som tidligere var en noget ukendt størrelse.

Samarbejde med Topsil

Kemisk diffusion er den mest almindelige metode til at dotere silicium med fosfor. Men til meget følsomme komponenter som tyristorer, der anvendes inden for effektelektronik, har man brug for en meget ensartet fordeling af fosforatomer i siliciumkrystallen. Det er vanskeligt at opnå med diffusion.

Omdannelse af silicium til fosfor ved bestråling med neutroner blev allerede studeret i USA i 1951, og i 1961 foretog Bell Laboratories i USA de første eksperimenter. Da Siemens i Tyskland i 1973 anvendte NTD-silicium til fremstilling af tyristorer, skete det kommercielle gennembrud.

»I foråret 1974 fik jeg en henvendelse fra Hans Mørk Janus, der var udviklingschef i Topsil. Han spurgte, om vi kunne bestråle noget af deres silicium. Jeg var noget skeptisk, for det ville kræve et utroligt rent udgangsmateriale, for at vi ikke skulle ende med et radioaktivt materiale,« fortæller Kaj Heydorn.

Men forsøget blev gjort, og resultatet var vellykket. Heydorn havde brugt neutroner fra DR2 og gik nu i gang med et formaliseret samarbejde med Topsil. Det var ikke helt simpelt, for Risø var slet ikke interesseret i, endsige gearet til, at drive kommerciel virksomhed.

»Hvor dybt kan man synke?«

Isotoplaboratoriet havde bl.a. til opgave at levere materialer til skoler og hospitaler. Da produktionen blev sat i gang i 1960, var det besluttet, at Risø skulle levere disse gratis. Det betød, at leverancerne ofte blev placeret i overfyldte skabe og aldrig brugt.

»Det ville jeg ikke spilde min tid på, så jeg insisterede på, at der skulle betales,« siger Kaj Heydorn.

Det var ikke en populær beslutning.

»Rundt omkring på Risø var reaktionen: ‘Hvor dybt kan man synke?’. Laboratoriets i forvejen beskedne prestige faldt yderligere,« siger Kaj Heydorn, der henviser til, at forskerne i Fysikafdelingen udgjorde toppen i det interne hierarki på Risø, mens supportfunktionerne lå i bunden.

Heydorn fik dog på eget initiativ opbygget et faktureringssystem, som han også kunne bruge til Topsil-ordren.

Isotoplaboratoriets lave status i systemet kom i øvrigt til udtryk, da Risøs direktion besluttede at lukke for DR2 - uden at kommunikere det videre til Heydorn.

»Da vi nærmest tilfældigt erfarede, at DR2 skulle lukkes med udgangen af oktober 1975, fik vi travlt med at opbygge nyt udstyr, der kunne anvendes til bestråling af silicium på DR3,« siger han.

Det var umuligt at få direktionen til at stille midler til rådighed for dette rent kommercielle formål. Men i sidste øjeblik lykkedes det Topsil at få bevilget penge fra Udviklingsfonden, og 14 dage før DR2’s nedlukning blev den første siliciumkrystal bestrålet i DR3.

DR3 viste sig at være særdeles velegnet til fremstilling af NTD-silicium. Kay Heydorn fik skabt en forretning, der også fremstillede NTD-silicium for virksomheder i Tyskland og Japan. I 1990’erne var den gennemsnitlige årlige produktion på ca. 25 ton.

De årlige indtægter på omkring 20 mio. kr. overskyggede helt Risøs øvrige eksterne indtægter og udgjorde en betydelig del af driftsudgifterne ved DR3, der i slutningen af 1990’erne var omkring 40 mio. kr. om året.

Neutronforskning i verdensklasse

Til trods for de industrielle anvendelser med fremstilling af NTD-silicium var DR3 dog først og fremmest en grundforskningsfacilitet, der var med til at sætte Risø på forskningens verdenskort. Et af de mest markante resultater gennem årene var bestemmelsen af neutronens levetid.

Inde i atomkerner er neutroner stabile partikler i lighed med protoner, men uden for atomkernen er neutronen en ustabil partikel. Da neutronen har en masse, der er 1,4 promille større end protonens masse, kan den henfalde til en proton ved udsendelse af en elektron, en elektron-antineutrino og med frigivelse af en energi på 782 kiloelektronvolt.

Henfaldet blev observeret første gang i 1948, og tre år efter kom canadiske forskere med den første ‘præcise’ måling af neutronens levetid, som lød på 1.108 sekunder. Præcisionen var det dog så som så med, for usikkerheden blev angivet til 216 sekunder.

I 1959 offentliggjorde russiske forskere en måling af neutronens levetid, der var væsentligt lavere, og de angav tilmed en langt lavere usikkerhed på deres måling. På den baggrund besluttede Risø sig for samme år at lave sin egen måling.

Det ville kræve udvikling af en ny forsøgsopstilling, herunder bl.a. en protondetektor, som ville være helt afgørende for nøjagtigheden. Fornemmelsen var, at det nok ville tage to-tre år. Det holdt ikke stik.

Målingen var oprindelig planlagt til at foregå med den mindre reaktor DR2, men forsøget blev flyttet over til DR3, som havde et kraftigere og renere neutronbeam.

I 1967 kunne civilingeniør Carl Jørgen Christensen sammen med tre medforfattere dog i Physics Letters offentliggøre et resultat, der viste, at halveringstiden for den radioaktive henfaldsproces var 10,80 min. plus/minus 0,16 min.

Det var dog kun et foreløbigt resultat.

Forskningsgruppen gennemgik senere måledata på ny, og i en artikel i Physical Review D i april 1972 angav de deres endelige resultat, som lød på 10,61 min. plus/minus 0,16 min. Omregnet til levetid, som adskiller sig fra halveringstiden med en faktor på ln2, giver det 918 sekunder med en usikkerhed på 14 sekunder.

Det var et resultat, som stod uanfægtet i mange år. Det refereres stadig i nyere videnskabelig litteratur som et afgørende trin i en nøjagtig måling af neutronens levetid, der i dag angives som 882 sekunder (14 minutter og 42 sekunder) med en usikkerhed på et par sekunder.

Flere andre målinger med neutroner fra DR3 har også vakt international opmærksomhed.

Jørgen Kjems, der var direktør for Risø i perioden 1997-2007, fremhæver især Jens Als-Nielsen og Ove Dietrichs målinger af faseovergange i bl.a. beta-messing, der består af 50 pct. kobber og 50 pct. zink.

Ved en temperatur under ca. 470 grader celsius sidder atomerne i fine kubiske gitre, ved højere temperatur hersker der uorden. En metode til at studere dette var at se, hvordan neutronspredningsmønstrene ændrede sig ved overgange fra orden til uorden.

Risøs meget præcise målinger var med til at bane vejen for en ny teori udviklet af den amerikanske fysiker Kenneth Wilson, for hvilken han modtog Nobelprisen i fysik i 1982.

Bedre forståelse af magnetiske egenskaber

Kjems peger også på, at Risø med brug af DR3 har ydet afgørende bidrag til forståelsen af de magnetiske egenskaber af de sjældne jordarter, som i dag bruges til fremstilling af permanente magneter, som både bruges i vindmøller og elbiler.

Det var Allan Macintosh, som i 1971 blev direktør for Risø, der var med til at starte forsøg sammen med Hans Bjerrum Møller i 1960’erne. De udnyttede, at neutroner er magneter og kan påvirke de atomare spin i en krystal. Derved kan man studere de magnetiske egenskaber af metaller og legeringer.

Endelig er det også på sin plads at fremhæve SANS-instrumentet, som Jørgen Kjems selv var med til at udvikle som medarbejder i Fysikafdelingen i 1980’erne.

SANS står for Small Angle Neutron Scattering. Instrumentet var velegnet til at studere biologisk aktive molekyler, da det brugte ‘kolde’ neutroner fra DR3 med lav energi, som ikke beskadigede måleprøverne. SANS blev også benyttet til undersøgelse af samspillet mellem superledning og magnetisme i metaller.

DR3 banede vejen for ESS

Den pludselige lukning af DR3 i 2000 kom som et chok for mange på og uden for Risø, der havde regnet med, at reaktoren ville være operationel mindst fem år endnu. Nedlukningen medførte, at SANS-instrumentet blev installeret på Paul Scherrer Institut i Schweiz, samtidig med at der blev indgået en samarbejdsaftale mellem de to institutioner.

Allerede før nedlukningen var neutronforskerne ved Risø dog aktive omkring etableringen af en stor europæisk neutronkilde - en såkaldt spallationskilde, hvor man frigiver neutroner ved at skrælle dem af atomkerner under beskydning med protoner i stedet for at få dem som et resultat af fission i reaktorer.

Et fælleseuropæisk teknisk design til en European Spallation Source (ESS) var færdig allerede i 1998. 3. oktober 2000 mødtes danskerne med en svensk gruppe i Lund. Det blev startskuddet til arbejdet med at skaffe ESS til Øresundsregionen.

Det tog flere år for de europæiske lande at blive enige om at bygge ESS. I mellemtiden overtog amerikanerne de europæiske ideer, inklusive de solide danske aftryk, og byggede en spallationskilde ved Oak Ridge National Laboratory, som stod færdig i 2007.

Da de europæiske lande endelig vedtog at bygge en spallationskilde, lykkedes det et svensk-dansk konsortium efter en hård kamp med Ungarn og Spanien i 2009 at blive værtsland. Omkring 2020 forventes neutronkilden at stå færdig i Lund med et tilhørende stort datacenter placeret i København - henved 30 år efter, at de første tanker om anlægget blev fremsat.

Det var næppe sket, hvis ikke DR3 havde gjort Danmark til et førende sted for neutronstråling.