Neutrons for Europe

Neutronen für Europa

Auf einer internationalen Tagung im Alten Bundeshaus in Bonn wurde der Öffentlichkeit im Mai ein neues großes Projekt der Europäischen Forschung mit Neutronen vorgestellt: die geplante Spallationsquelle ESS. Sie soll die leistungsfähigste Neutronen-Quelle der Welt werden.

Von Georg Wolschin

Neutronen bilden zusammen mit den positiv geladenen, nur geringfügig leichteren Protonen die Bausteine aller Atomkerne. Gebunden sind sie stabil und ermöglichen so den Aufbau unserer materiellen Welt. Als freie Teilchen zerfallen sie dagegen mit einer Halbwertszeit von 10,2 Minuten. Gemäß dem Welle-Teilchen Dualismus der Quantenmechanik bilden sie Materiewellen mit einer Wellenlänge, die von ihrer Geschwindigkeit abhängt. Bei "thermischen" Neutronen, die sich nur so schnell bewegen wie die Atome der umgebenden Materie, liegt die Wellenlänge zwischen 0,1 bis 0,4 Nanometern, also im Bereich der Atomabstände in Festkörpern.

Entsprechend feine Details lassen sich mit ihnen abbilden. Sichtbares Licht mit seiner sehr viel größeren Wellenlänge von 400 bis 800 Nanometern ermöglicht dagegen nur eine deutlich schlechtere Auflösung. Ultraviolett-Laser arbeiten heute im Bereich von etwa 100 Nanometern (siehe "Licht mit Zukunft", Spektrum 5/2002); erst Röntgenstrahlung lässt jedoch eine mit Neutronen vergleichbare Auflösung zu. In den für die Zukunft geplanten Quellen ­ insbesondere TESLA - wird sie sogar als kohärentes (Laser-) Licht verfügbar sein.

Beim Durchqueren von Materie werden Neutronen im wesentlichen von den Atomkernen gestreut. Da sie neutral sind, dringen sie tief in Festkörper ein. Deshalb erlauben sie, deren innere Struktur sehr genau zu untersuchen. Dabei erkennen sie sogar unterschiedliche Isotope eines Elements; denn deren Streukraft für Neutronen ist verschieden, obwohl sie sich chemisch gleich verhalten. Röntgenstrahlung, die zwar auch Wellenlängen unter einem Nanometer hat, aber von den Elektronen der Atome gebeugt wird, kann das nicht. Außerdem ist sie für die sehr leichten Wasserstoffatome praktisch blind. Neutronen werden dagegen auch an ihnen stark gebeugt und verraten so ihre Position. Das ist vor allem für die Untersuchung biologischer Proben, die Wasserstoff an entscheidenden Positionen enthalten, sehr wichtig.

Schließlich lassen sich atomare und molekulare Bewegungen detailliert analysieren, indem man die Energieänderung der Neutronen bei der Streuung misst. So gelingt es beispielsweise, die Schwingungsenergie eines Kristalls zu ermitteln, was Hinweise auf dessen Wärme- und Stromleitungseigenschaften gibt.

Angesichts all dieser Vorteile hat sich die Neutronenforschung zu einem wichtigen, rasant expandierenden Wissenschaftszweig entwickelt, der die Forschung mit Röntgenphotonen in vieler Hinsicht ergänzt. Die benötigten Neutronen werden dabei entweder in "Spallationsquellen", oder in Forschungsreaktoren (dort durch Kernspaltung) erzeugt.

Zum zweiten Typ gehört die stärkste Neutronenquelle in Europa: der Höchstfluss-Reaktor am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble mit einer thermischen Leistung von 58 Megawatt. Der Neutronenfluss ist dort doppelt so hoch wie bei der einzigen vergleichbaren deutschen Neutronenquelle, die allerdings, obwohl weitgehend fertiggestellt, noch immer auf die Betriebsgenehmigung wartet: der Münchner Forschungsreaktor FRM-II.

Diese Anlage soll kontinuierliche thermische Neutronen liefern und zunächst mit Brennelementen auf der Basis von hochangereichertem Uran-235 (HEU) betrieben werden. Da diese Brennstoffvariante internationalen Bestrebungen zuwiderläuft, die Weiterverbreitung von kernwaffenfähigem Material einzudämmen, stößt sie auf politischen Widerstand, wenngleich sie derzeit nicht explizit internationalen Abmachungen widerspricht. Eine spätere Umrüstung auf Brennelemente aus niedriger angereichertem, nicht waffenfähigem Uran ist vorgesehen. Das würde Brennelementgröße und thermische Leistung nicht ändern, den Neutronenfluss aber etwas reduzieren und die "Nutzungsqualität" entsprechend mindern. Die Umrüstung erfolgt erst später, weil sich die inneramerikanische Gesetzgebung zu ausländischen Anwendungen von HEU erst Mitte der 1990er Jahre geändert hat, als das Projekt schon stand.

Spallationsquellen werfen keine Proliferations-, und im Vergleich zu Reaktoren nur marginale Radioaktivitäts- und Sicherheitsprobleme auf; denn sie beruhen auf einem völlig anderen physikalischen Prinzip. Hier wird ein Protonenstrahl in einem Beschleuniger auf hohe Energien gebracht und auf ein Blei- oder Quecksilbertarget geschossen. Die getroffenen Kerne senden dann die gewünschten Neutronen aus. Basis der europäischen Neutronenforschung an Spallationsquellen sind derzeit die gepulste Quelle ISIS am Rutherford Appleton Laboratory mit einem Protonenstrahl von 156 Kilowatt Strahlleistung und die weltweit stärkste - allerdings koninuierliche - Spallationsquelle SINQ am Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz, deren Strahlleistung 1 Megawatt beträgt. In Amerika ist SNS (Qak Ridge, 1 Megawatt) und in Japan eine vergleichbare Quelle (Tokai, 1 Megawatt) im Bau.

Die geplante Europäische Spallationsquelle ESS mit zweimal 5 Megawatt Strahlleistung soll die weltweit leistungsfähigste Anlage mit dreissigfach höherer Spitzenintensität als ISIS werden. Vorgesehen ist ein Protonen-Linearbeschleuniger mit 1,3 Milliarden Elektronenvolt Einschussenergie, der an zwei Targetstationen Neutronen mit unterschiedlicher Zeitstruktur und verschiedenen spektralen Eigenschaften erzeugt, die dann für die Forschung an 40 Instrumenten zur Verfügung stehen (Bild). Die zeitgemittelte Neutronenintensität wird die des Höchstfluss-Reaktors am ILL knapp erreichen, der Gewinn an Messzeit bei Flugzeitexperimenten wird im Vergleich zum ILL zwei Größenordnungen betragen.

Über den Bau und den Standort in Europa - derzeit sind fünf Standorte in der Diskussion, darunter Lund, Leipzig und Jülich - soll bis 2004 entschieden werden, die Inbetriebnahme ist für 2010 geplant. Die Perspektiven des Projekts werden im Gespraech mit dem wissenschaftlichen Koordinator Dieter Richter und Richard Wagner vom Forschungszentrum Jülich erörtert.

Abbildung: Projektskizze der geplanten Europäischen Spallationsquelle

ESS

Die geplante Europäische Spallationsquelle ESS wird das zukünftige Basiswerkzeug der europäischen Neutronenforschung sein. Im Vordergrund links und rechts (hell) sind die beiden Targetstationen, in denen mit dem 1,3 MeV-Protonenstrahl gepulste Neutronen erzeugt und in 40 (hier teilweise sichtbaren) Strahlrohren für Experimente in Physik, Chemie, Biologie und Materialwissenschaften genutzt werden. Als Standort kommen mehrere Länder in Frage; bisher bewerben sich Schweden, England und Deutschland.

Siehe Spektrum d. Wissenschaft 8 (2002) 12 für den illustrierten und redigierten Artikel.

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