HFR – Mit Neutronen die Rätsel der Natur lösen

Das Institut Laue-Langevin im französischen Grenoble ist ein internationales Spitzen-Forschungszentrum mit langer Tradition. Seit vierzig Jahren ist es führend auf dem Gebiet der Neutronenforschung und -technologie und beherbergt mit dem Hochflussreaktor HFR die derzeit leistungsstärkste Forschungsneutronenquelle weltweit. Die Neutronen, die der Hochflussreaktor erzeugt, sind bestens geeignete Sonden für eine Vielzahl von Forschungsfeldern: von der Physik, Chemie, Material- und Energieforschung über Biologie und Medizin bis hin zur Archäologie und Kunstgeschichte. Auf all diesen Gebieten gewinnen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit den Neutronen des HFR neue Erkenntnisse.

Hochflussreaktor im Querschnitt

Die Neutronen eignen sich besonders gut, um biologische Materialien oder Materie unter extremen Bedingungen zu studieren: bei hohem Druck, hoher Temperatur oder starkem Magnetfeld. Die unterschiedlichen Temperaturen der Neutronen erlauben verschiedenartige Experimente. So lässt sich mit heißen Neutronen die Anordnung abbilden, wie Atome in Flüssigkeiten angeordnet sind. Langsame, energiearme, in der Physik als kalt bezeichnete Neutronen eignen sich hingegen, um größere Strukturen in biologischen Proben aufzuklären. In der Materialforschung und den Ingenieurwissenschaften nutzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Neutronen als Sonden. Sie entwickeln neuartige Werkstoffe, zum Beispiel eine neue Generation von Brennstoff- und Solarzellen.

Eine besondere Technik, die sogenannte Deuterierung, wenden die Forschenden bei vielen Untersuchungen an. Sie erhöhen damit den Kontrast zwischen bestimmten Bestandteilen der Proben. Dabei ersetzen sie einen Teil des in den Molekülen oder beispielsweise in Proteinfasern eingebundenen leichten Wasserstoffs durch sogenanntes Deuterium. Dieses besondere Wasserstoffatom enthält in seinem Kern ein zusätzliches Neutron. Während des Bestrahlens mit Neutronen erkennen die Forschenden dann die Regionen mit Deuterium. Mithilfe dieser Technik konnten Forschende am ILL bereits beobachten, wie sich die Bewegung von Wassermolekülen an Proteinen bei einer Alzheimererkrankung verändert.

In der Kern- und Teilchenphysik fungieren niederenergetische Neutronen selbst als Forschungsobjekte. Dort geht es darum, fundamentale Kräfte, die nur auf sehr kurze Entfernungen wirken, zu verstehen. Dazu analysieren die Forscher den Zerfall der neutralen Kernteilchen, der im Schnitt alle 15 Minuten passiert.

Mit dem Hochflussreaktor lassen sich viele und unterschiedlich schnelle freie Neutronen, die nicht in einem Atomkern festgehalten werden, herstellen. Dazu sind mitten im Zentrum des HFR Brennstäbe aus insgesamt zehn Kilogramm hochangereichertem Uran zur Kühlung in einen Tank mit schwerem Wasser (Deuterium) eingelagert. Sie dienen als Neutronenlieferanten. Bei der Kernspaltung von Uran werden unter anderem Neutronen mit Anfangsgeschwindigkeiten um 20 000 Kilometer pro Sekunde freigesetzt. Der HFR produziert 1,5 Billiarden Neutronen pro Sekunde und Quadratzentimeter. Das macht ihn zur Neutronenquelle mit dem weltweit größten Durchfluss an Neutronen für die Forschung. Das umgebende Wasser – der Primärmoderator – bremst die schnellen Neutronen um das Zehntausendfache ab. In diesem verlangsamten Zustand stehen sie für geregelte weitere Reaktionen in Uran zur Verfügung.

Blick ins Reaktorinnere

Zu Forschungszwecken werden die Neutronen in Tanks aus leichtem und schwerem Wasser sowie mit Grafitblöcken nahe dem Reaktorzentrum auf verschiedene Temperaturen, also Energien, gebracht. Indem sie mit den Atomkernen in den Tanks oder Blöcken zusammenstoßen, werden manche von ihnen schneller und manche langsamer. Danach stehen sogenannte thermische Neutronen im Temperaturbereich von –150 bis 730 Grad Celsius sowie besonders heiße (bis zu 5800 Grad Celsius), kalte (unter –150 Grad Celsius) und ultrakalte (unter -260 Grad Celsius) Neutronen zur Verfügung. Die verschiedenen Temperaturen der Neutronen sind je nach wissenschaftlicher Fragestellung notwendig.

Ultrakalte Neutronen werden direkt im Reaktor weiter untersucht. Alle anderen Neutronen gelangen über Strahlrohre und Neutronenleiter aus dem Reaktorgehäuse. In bis zu hundert Meter Entfernung des Reaktors stehen sie an rund vierzig verschiedenen Experimentierplätzen für die vielfältigen Forschungsprojekte zur Verfügung. Da sie elektrisch neutral sind, können weder die elektrisch negativ geladenen Elektronen in der Atomhülle noch der positiv geladene Kern sie ablenken oder abbremsen. Deshalb dringen sie viel tiefer als geladene Teilchen in die Materie vor. Sie beschädigen und verändern es jedoch nicht. Stattdessen spüren sie sozusagen den Atomkern und reagieren auf ihn. Diese Reaktionen lassen sich dann beobachten und liefern Erkenntnisse darüber, wie ein Stoff aufgebaut ist und wie er sich verhält. Außerdem sind Neutronen wie winzige Kompassnadeln, die auf Magnetfelder auf atomarer Ebene extrem empfindlich sind.

In einem Gemeinschaftsprojekt nahmen 1971 die drei Gründungsländer Frankreich, Deutschland und das Vereinigte Königreich den Hochflussreaktor in Betrieb. Seither leistet er Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern weltweit wertvolle Dienste. Insgesamt 14 Länder finanzieren diese Großanlage gemeinsam, die jährlich rund 1500 Forschende aus vierzig Ländern anzieht.

Alzheimerforschung mit Neutronen

Deutschland, das seit Mitte des 20. Jahrhunderts intensiv mit Neutronen forscht, verfügt in diesem Fachbereich über eine breite Expertise. Sowohl dabei, neuartige Technologien für Messinstrumente voranzubringen, als auch dabei, wissenschaftliche Methoden weiterzuentwickeln, leistet Deutschland einen großen Beitrag. Mit rund 1200 registrierten Nutzerinnen und Nutzern ist die deutsche Forschergemeinde eine der größten Gruppen in Europa, die Neutronenquellen wie den Hochflussreaktor am ILL zu Forschungszwecken nutzt.

Deutschland beteiligt sich jährlich mit rund 25 Millionen Euro am Grundhaushalt des ILL (Stand 2022). Zusätzlich stellt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanzielle Mittel in der Projektförderung ErUM-Pro zur Verfügung. Damit bauen und entwickeln universitäre Arbeitsgruppen aus Deutschland neue, innovative Instrumente.

Spektrometer

Der Hochflussreaktor des Instituts Laue-Langevin läuft bereits Jahrzehnte stabil und bringt hervorragende Ergebnisse. Nach wie vor ist er für Forschung mit Neutronen die bedeutendste Anlage der Welt. Das hat auch damit zu tun, dass er immer wieder weiterentwickelt wird, kürzlich im Rahmen des Millennium und Endurance Programms. Dabei brachten die Ingenieurinnen und Ingenieure am HFR zahlreiche Instrumente, Neutronenleiter und weitere wesentliche Teile der Infrastruktur auf den neuesten Stand. Mit diesen Investitionen bleibt das ILL weiterhin führend auf dem Gebiet der Neutronenstreuung. Noch bis mindestens 2030 soll so seine international hervorragende Stellung in der Neutronenforschung gewährleistet werden.