Tiefe Einblicke mit Neutronen: Die Forschungs-Neutronenquelle FRM II

Neutronen werden in erster Linie genutzt, um atomare Strukturen zu untersuchen. Sie können Materialien durchdringen, ohne diese dabei zu zerstören. So ermöglichen sie Erkenntnisse über deren Aufbau, Struktur, innere Bewegungen und magnetische Eigenschaften. Forscher aus aller Welt und vielen verschiedenen Fachrichtungen reisen deshalb zur Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) in Garching bei München, um den Bau und die Eigenschaften ihrer Studienobjekte zu ergründen. Der Forschungsreaktor hilft auch bei der Herstellung von Brennstoffzellen oder in der Tumortherapie. Einige Krebspatienten werden sogar direkt vor Ort mit Neutronen bestrahlt.

Aus einem Ei geschlüpft

Die Neutronenforschung an der Technischen Universität München (TU München) begann 1957. Damals wurde das sogenannte Atom-Ei in Betrieb genommen, die erste nukleare Anlage der Bundesrepublik Deutschland. Seinen Spitznamen verdankt dieser Reaktor, der offiziell FRM (Forschungsreaktor München) heißt, seiner markanten Architektur, entworfen vom Bauhaus-Schüler Gerhard Weber. Im Jahr 2000 wurde das Atom-Ei abgeschaltet. Stattdessen wird heute an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) geforscht. Diese Anlage liefert wesentlich mehr Neutronen als das Ei, die Strahlqualität ist besser und es gibt zahlreiche neue Messmöglichkeiten.

Eine Neutronenquelle der Spitzenklasse

Luftaufnahme vom FRM II und von den umgebenden Gebäuden an der TU München. Man erkennt die runde Kuppel des Atom-Eis, die Neutronenleiterhalle und die Reaktorhalle.
Atom-Ei, Neutronenleiterhalle und Reaktorhalle des FRM II an der TU München

Die Forschungs-Neutronenquelle FRM II ist eine der leistungsfähigsten und modernsten Neutronenquellen weltweit. Unter Einhaltung höchster Sicherheitsstandards ist sie herausragend effizient: Bezogen auf die thermische Leistung bietet sie die weltweit höchste nutzbare Neutronendichte. Jede Sekunde erzeugt sie mithilfe der Kernspaltung aus Uran mehr als 1014 – also hundert Billionen – freie Neutronen pro Quadratzentimeter. Die dabei anfallende thermische Leistung beträgt nur 20 Megawatt – dank eines besonders kompakten Reaktorkerns. Zum Vergleich: Die derzeit stärkste Neutronenquelle, der Hochflussreaktor am Institut Laue-Langevin in Frankreich, liefert rund 1015 Neutronen pro Quadratzentimeter und Sekunde. Dafür benötigt er aber mit 58 Megawatt fast die dreifache Wärmeleistung.

Besonders interessant für die Forschenden ist auch das einmalig breite Neutronenspektrum des FRM II. Damit können sie die Struktur von Materie auf einer Skala von einem zehntel Nanometer bis in den Mikrometerbereich gezielt untersuchen – maßgeschneidert für die jeweilige Fragestellung. Während sich mit sogenannten heißen Neutronen zum Beispiel die Abstände von Atomen in Kristallen messen lassen, kann man mit „kalten“ Neutronen nanometergroße Unregelmäßigkeiten in Materialien aufspüren. Außerdem weist der FRM II eine sehr geringe Untergrundstrahlung auf, was empfindliche Messungen ermöglicht.

Das Neutron an sich

Neutronen machen fast die Hälfte der Masse unserer Erde aus. Sie befinden sich gut versteckt in den Kernen der Atome: Mit Ausnahme des Wasserstoffatoms, dessen Kern nur aus einem Proton besteht, sind die Kerne aller Elemente aus Neutronen und Protonen zusammengesetzt. Neutronen sind klein und neutral, sie besitzen also keine elektrische Ladung. Anders als Lichtteilchen (Photonen) reagieren sie daher nicht mit den Elektronen in der Atomhülle, sondern direkt mit dem relativ kleinen Atomkern. Deshalb durchdringen sie feste Stoffe mühelos und zerstörungsfrei und liefern Informationen aus ihrem Inneren. Außerdem verhalten sich Neutronen wie winzige Magnete und erlauben, auch die magnetischen Eigenschaften von Substanzen zu untersuchen. Dies macht sie zu idealen Helfern für die Spurensuche in der Tiefe der Materie.

Magnetische Wirbelfelder in Mangansilizium. Man sieht eine Fläche kleiner, von Pfeilen durchbohrter Kügelchen. Die Pfeile symbolisieren die magnetische Ausrichtung in diesen sogenannten Skyrmionen. Die Kügelchen sind in mehreren, ineinander übergehenden Kreisen angeordnet.
Skyrmionen in Mangansilizium

Eine weitere Besonderheit von Neutronen ist, dass sie mit sehr leichten Elementen stark in Wechselwirkung treten, beispielsweise mit Wasserstoff. Sie helfen damit sogar, zwischen einzelnen Isotopen eines Elements zu unterscheiden. Auch wenn die Zahl ihrer Neutronen im Atomkern sich unterscheidet, chemisch gleichen sich Wasserstoff und sein Isotop Deuterium. Unterscheiden kann man die beiden mit Neutronen, die als Sonde eingesetzt werden, da diese unterschiedlich auf die beiden Isotope reagieren. Das macht Neutronen besonders interessant, um wasserstoffhaltige Proben wie Proteine und Polymere zu untersuchen. Kleinteilige Strukturen – sogar einzelne Moleküle und Molekülabschnitte – werden mit Deuterium markiert und so klar erkennbar.

Neutronen in Wissenschaft, Industrie und Medizin

Für zwei Drittel der Messzeit an den insgesamt 27 Messplätzen können sich Forschende aus Deutschland und der ganzen Welt bewerben. Über die Anträge wird nach wissenschaftlicher Qualität entschieden. Das übrige Drittel wird für Eigenforschung der TU München, für Ausbildung und für Projekte mit Industrie und Medizin genutzt. Für industrielle Nutzer reicht dabei die Angebotspalette von Materialanalysen bis zur Materialbearbeitung. So erlauben es die Neutronen beispielsweise, Bauteile zerstörungsfrei zu untersuchen und neue Werkstoffe zu entwickeln. Am FRM II gibt es auch eine rein kommerziell genutzte Anlage: Dort wird Silizium für die Halbleiterindustrie dotiert, also mit Fremdatomen bestückt. Für die Medizin werden Radioisotope hergestellt, die sowohl zur Diagnose als auch zur Therapie von Tumorerkrankungen eingesetzt werden. Mit den Neutronen selbst lassen sich zudem oberflächennahe Tumoren behandeln. Bis zu 40 Patienten werden jedes Jahr am FRM II bestrahlt.

Links Neutronenaufnahme eines Motors. In verschiedenen Grauschattierungen erkennt man Kolben, Schrauben, Verstrebungen und Federn in zahlreichen Details. Rechts Neutronenaufnahme einer Rattenlunge. Die Umrisse der Lunge sind zu erkennen und in ihrem Inneren die Blutgefäße.
Bilder aus dem Inneren eines Motorblocks und einer Rattenlunge

Auch die eingangs erwähnte Bronzestatue kommt hier wieder ins Spiel. Physikerinnen und Physiker aus Garching untersuchten mittels Neutronen eine Merkur-Statuette aus der Archäologischen Staatssammlung München, um mehr darüber zu erfahren, woraus sie genau besteht und wie sie hergestellt wurde. Sie entdeckten, dass die Figur hohl ist und ihre Beine getrennt gefertigt und erst im zweiten Guss mit dem Rumpf verbunden wurden. Anscheinend gab es eine antike Serienproduktion, wie man sie bislang nur aus der Moderne kannte.

Und auch den Motor treffen wir hier wieder: Es ist gar nicht so einfach, in einen laufenden Motor hineinzuschauen. Bohrt man ein Loch, verändert man damit sein Betriebsverhalten. Mit Röntgenstrahlen braucht man sehr hohe Energie und sieht dann doch nicht die nötigen Details. Ein Neutronenstrahl hingegen ermöglicht einzigartige Bilder, da die Neutronen leicht mehrere Zentimeter Metall durchdringen und wasserstoffhaltige Materialien deutlich abbilden, zum Beispiel Öl und Treibstoff. So lässt sich das Schmier- und Leistungsverhalten des Motors optimieren.

Das Heinz Maier-Leibniz Zentrum (MLZ)

Der FRM II wird von der TU München betrieben und daher überwiegend vom Land Bayern finanziert. Das unterscheidet ihn von anderen deutschen Großgeräten, deren Betrieb oft in den Händen der Helmholtz-Gemeinschaft oder von internationalen Konsortien liegt. Dies ist historisch verwurzelt: Es ist das Erbe des Atom-Eis, das München zur Wiege und zum Zentrum der wissenschaftlichen Nutzung von Neutronen in Deutschland machte.

Blick in die Experimentierhalle, aufgenommen mit einem Fischaugenobjektiv. Zentral das halbrunde, dunkelrote Reaktorbecken, um das sich viele Instrumente reihen. Von den Instrumenten sind vor allem große Geräteschränke, Kabel und Computer zu sehen.
Messinstrumente umgeben das Reaktorbecken

Die Nutzung des FRM II geht allerdings weit über München hinaus. Etwa 1000 Wissenschaftler kommen jedes Jahr aus der ganzen Welt nach Garching an den FRM II, um hier Untersuchungen und Experimente durchzuführen. Sie nutzen die Forschungsneutronenquelle im Rahmen einer Kooperation zwischen der TU München und den Helmholtz-Zentren Jülich und Geesthacht. Darüber hinaus beteiligen sich die Max-Planck-Gesellschaft und neun weitere Universitätsgruppen an der Kooperation. Unter dem Namen Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) betreiben verschiedene Arbeitsgruppen der Partner Instrumente am FRM II und ermöglichen so gemeinsam die Forschung mit Neutronen in den unterschiedlichsten Fachbereichen. Auf dem Gelände des FRM II selbst sind über 400 Personen beschäftigt, etwa ein Drittel davon als Wissenschaftler.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die wissenschaftliche Nutzung des FRM II, indem es das MLZ über die beteiligten Helmholtz-Zentren in Jülich und Geesthacht unterstützt. Zudem finanziert das BMBF im Rahmen der Verbundforschung zur „Erforschung kondensierter Materie an Großgeräten“ Projekte, in denen universitäre Arbeitsgruppen die Messeinrichtungen am FRM II weiterentwickeln. Durch die geförderten Projekte, die von methodischen Entwicklungen bis hin zur Datenanalyse reichen, werden die Großgeräte durch die wissenschaftlichen Nutzer selbst weiterentwickelt und sind damit immer fit für die aktuellen wissenschaftlichen Fragestellungen. Am FRM II wurden in den letzten beiden Förderperioden (2013 – 2019) insgesamt 28 Projekte mit rund 30,0 Millionen Euro vom Bundesforschungsministerium gefördert.

Steckbrief FRM II

Typ:

Neutronenquelle

Technologie:

mit Schwerwasser moderierter Reaktor

Standort:

Garching bei München

Betreiber: 

Technische Universität München (TUM)

Kooperationspartner:

TUM, Forschungszentrum Jülich, Helmholtz-Zentrum Geesthacht

Baukosten:

435 Millionen Euro

Inbetriebnahme Nutzerbetrieb:

29. April 2005

Betriebskosten inkl. Personal:

55 Millionen Euro pro Jahr

Kosten für ein Brennelement (ohne Entsorgung):

1 Million Euro

Drittmittel aus der Industrie:

1,1 Millionen Euro pro Jahr

Maximaler Neutronenfluss:

8 · 1014 Neutronen pro Quadratzentimeter und Sekunde

Thermische Leistung:

20 Megawatt

Brennstoff:

235Uran

Messplätze:

27

Wissenschaftliche Experimente:

ca. 700 pro Jahr

Gastwissenschaftler/innen:

ca. 1000 pro Jahr

Betriebstage:

Bis zu 240 Tage pro Jahr in 4 Zyklen

Beteiligte Länder:

Deutschland