Der ILL-Hochflussreaktor

Mit Neutronen dringen Wissenschaftler bis tief in das Innere von Materie vor und nutzen die neutralen Kernteilchen zur Strukturanalyse in den Lebenswissenschaften oder zur Untersuchung neuer Materialien für zukünftige Werkstoffe. Doch auch die Partikel selbst sind Forschungsobjekte der Grundlagenforschung. Die Infrastruktur des Institut Laue-Langevin (ILL) mit dem Hochflussreaktor HFR bietet dafür optimale Forschungsbedingungen.

Das Institut Laue-Langevin im französischen Grenoble ist ein internationales Forschungszentrum, das Deutschland, Frankreich und Großbritannien als Gesellschafter betreiben. Es ist seit vierzig Jahren führend auf dem Gebiet der Neutronenforschung und -technologie und beherbergt mit dem Hochflussreaktor HFR die derzeit leistungsstärkste Forschungsneutronenquelle weltweit. Die drei Gründungsländer sind durch das Commissariat à l’Energie Atomique (CEA) sowie das Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), das Forschungszentrum Jülich (FZJ) und das Science and Technology Facilities Council (STFC) vertreten. Daneben beteiligen sich zwölf weitere Länder als wissenschaftliche Mitglieder an der Finanzierung. Die Neutronenquelle HFR versorgt dauerhaft etwa vierzig Experimentierplätze, an denen jährlich rund 1500 Forscher aus mehr als vierzig Ländern wissenschaftliche Untersuchungen durchführen. Wissenschaftler aus allen Mitgliedsstaaten und wissenschaftlichen Partnerländern können die Einrichtungen am ILL nutzen.

Auf dem EPN (European Photon and Neutron) Campus sind neben dem ILL die Europäische Synchrotronstrahlungsquelle ESRF, eine Außenstelle des European Molecular Biology Laboratory (EMBL), das französische Institut de Biologie Structural (IBS) und gemeinsame Partnerschaftsinstitute angesiedelt. Als einer von nur wenigen Standorten weltweit stehen den Nutzern dort sowohl Neutronen am HFR als auch Photonen an der ESRF für Experimente zur Verfügung. Unter anderem im Bereich der Lebenswissenschaften und der weichen Materie bestehen besonders enge Kooperationen zwischen ILL und ESRF.

Neutronen als Sonde

Ähnlich wie energiereiche Teilchenstrahlen aus Protonen oder Elektronen lassen sich freie Neutronen unterschiedlicher Geschwindigkeit dazu verwenden, die Struktur von Materie zu untersuchen. Da sie elektrisch neutral sind, lassen sie sich nicht durch die Ladung in der Atomhülle oder im Kern ablenken oder abbremsen. Deshalb können sie viel tiefer als geladene Teilchen in die Materie vordringen, ohne diese zu beschädigen oder zu verändern. Indem sie direkt mit den Atomkernen wechselwirken, können sie Informationen über die Struktur und Dynamik von Materie liefern, wie es mit geladenen Teilchenstrahlen nicht möglich ist. Und sie haben noch einen weiteren Vorzug: Sie besitzen ein magnetisches Moment und lassen sich damit als winzige Kompassnadeln einsetzen, um Magnetfelder auf Mikro- oder Nanoebene zu messen. Mit Neutronen können zudem leichte Elemente wie die verschiedenen Isotope von Wasserstoff klar voneinander unterschieden werden. Auf diese Weise lassen sich etwa Wasserstoffatome in lebenswichtigen Proteinen aufspüren und neue Materialien für die Speicherung von Wasserstoff entwickeln. Mit den genannten Eigenschaften eignen sich die Teilchen als Sonden für eine Vielzahl von Forschungsdisziplinen: von der Physik, Chemie, Material- und Energieforschung über die Lebenswissenschaften Biologie und Medizin bis hin zur Archäologie und Kunstgeschichte.

Hochflussreaktor im Querschnitt

Die Neutronenquelle HFR

Als Neutronenlieferanten dienen im Zentrum des HFR Brennstäbe aus insgesamt zehn Kilogramm hochangereichertem Uran, die zur Kühlung in einen Tank mit schwerem Wasser (Deuterium) eingelagert sind. Bei der Kernspaltung von Uran werden unter anderem Neutronen mit Anfangsgeschwindigkeiten um 20 000 Kilometer pro Sekunde freigesetzt. Der HFR produziert 1,5⋅1015 Neutronen pro Sekunde und Quadratzentimeter und ist damit die Neutronenquelle mit der weltweit höchsten Flussdichte, die für die Forschung genutzt wird. Diese Neutronen werden durch das umgebende Wasser – den Primärmoderator – abgebremst und stehen dann als sogenannte thermische Neutronen bei einer Geschwindigkeit von 2,2 Kilometer pro Sekunde für eine geregelte Kettenreaktion im Uran zur Verfügung.

Zu Forschungszwecken werden die Neutronen in Tanks aus leichtem und schwerem Wasser sowie mit Graphitblöcken nahe dem Reaktorzentrum auf verschiedene Temperaturen gebracht, indem sie durch Stöße mit den Atomkernen in diesen Medien Energie verlieren oder gewinnen. Danach stehen zusätzlich zu thermischen Neutronen im Temperaturbereich von –150°C bis 730 °C auch heiße (bis zu 5800 °C), kalte (unter –150 °C) und ultrakalte (unter -260 °C) Neutronen zur Verfügung. Die verschiedenen Temperaturen der Neutronen sind je nach wissenschaftlicher Fragestellung notwendig.

Anschließend werden die Neutronen mit nun unterschiedlichen Energien – abgesehen von den ultrakalten Neutronen – zunächst über Strahlrohre und schließlich in Neutronenleitern aus dem Reaktorgehäuse geführt und zu rund vierzig verschiedenen Experimentierplätzen in bis zu hundert Meter Entfernung des Reaktors gelenkt.

Experimentelle Vielfalt

Blick ins Reaktorinnere

Dort lassen sich die Neutronen auf vielfältige Weise als Sonde etwa zur Strukturanalyse in den Lebenswissenschaften und der Materialforschung verwenden. Sie eignen sich besonders gut, um biologische Materialien zu untersuchen, aber auch, um Materie unter extremen Bedingungen – zum Beispiel bei hohem Druck, hoher Temperatur oder starkem Magnetfeld – zu studieren. Die unterschiedlichen Temperaturen der Neutronen erlauben dabei verschiedenartige Experimente. So lässt sich mit heißen Neutronen die Anordnung der Atome in Flüssigkeiten abbilden, während sich kalte Neutronen zur Aufklärung größerer Strukturen in biologischen Proben eignen.

Eine besondere Technik, die sogenannte Deuterierung, wenden die Forscher bei vielen Untersuchungen an, um den Kontrast zwischen bestimmten Bestandteilen der Proben zu erhöhen. Sie ersetzen einen Teil des in den Molekülen oder beispielsweise in Proteinfasern eingebundenen leichten Wasserstoffs durch Deuterium (schweren Wasserstoff), das in seinem Kern noch ein zusätzliches Neutron enthält und Neutronen anders ablenkt als gewöhnlicher Wasserstoff. Die Region mit dem verbliebenen gewöhnlichen Wasserstoff hebt sich beim Bestrahlen mit Neutronen dann verstärkt von jenen Regionen mit Deuterium ab. Mithilfe dieser Technik konnten Forscher am ILL zum Beispiel beobachten, wie sich die Bewegung von Wassermolekülen an der Oberfläche von bestimmten Proteinen bei einer Alzheimererkrankung verändert.

Alzheimerforschung mit Neutronen

Auch in Materialforschung und Ingenieurwissenschaften greifen Forscher erfolgreich auf Neutronen als Sonde zurück. Da vorwiegend die Struktur eines Materials dessen Eigenschaften und Funktionen bestimmt, hilft diese Strukturanalyse dabei, neuartige Werkstoffe zu entwickeln. Neutronenuntersuchungen werden auch bei der Entwicklung energieeffizienter Brennstoffzellen und in der Solarzellenforschung eingesetzt.

In der Kern- und Teilchenphysik fungieren niederenergetische Neutronen selbst als Forschungsobjekte, etwa wenn es darum geht, die Elementarkräfte mit kurzer Reichweite genauer zu verstehen. Dazu analysieren die Forscher den Zerfall der neutralen Kernteilchen, die eine mittlere Lebensdauer von knapp 15 Minuten besitzen. Außerdem haben sie eine neue Technik entwickelt, um Quanteneffekte der Gravitation an ultrakalten Neutronen zu untersuchen: die sogenannte Gravitationsresonanzspektroskopie. Mit diesem Experiment suchen die Wissenschaftler nach winzigen Abweichungen von der Newtonschen Gravitationstheorie. Sie erhoffen sich dadurch Erkenntnisse beispielsweise bei der Suche nach der Dunklen Materie – einer unsichtbaren Substanz, deren Natur bislang rätselhaft ist, obwohl sie im Weltall sechsmal häufiger vorkommt als die uns bekannte, sichtbare Materie.

Deutsche Beiträge zur Forschung mit Neutronen

In Deutschland wird seit den 1950er Jahren mit Neutronen geforscht. So verfügt die deutsche Forschergemeinde in diesem Fachbereich über eine langjährige Erfahrung und breite Expertise. Dies betrifft sowohl die Entwicklung neuartiger Technologien bei der Instrumentierung als auch die wissenschaftliche Methodologie. Zudem stellt Deutschland mit rund 1200 registrierten Nutzern eine der größten Gruppen in Europa, die Neutronenquellen wie den Hochflussreaktor am ILL zu Forschungszwecken nutzt.

SALSA-Experiment am ILL

Deutschland beteiligt sich mit rund 20,5 Millionen Euro am Grundhaushalt des ILL (Stand 2014). Zusätzlich stellt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Projektmittel in der Verbundforschung zur Verfügung. Damit können universitäre Arbeitsgruppen aus Deutschland neue Instrumente an ausgewählten Neutronenquellen bauen. So hat das BMBF Verbundprojekte am HFR in den Jahren 2010 bis 2016 mit rund 7,3 Millionen Euro gefördert. Neben der Beteiligung am ILL stehen außerdem als nationale Einrichtungen der Forschungsreaktor München II (FRM II) in Garching und BER II in Berlin zur Verfügung.

Upgrade-Programme des ILL: Millennium Programme und Endurance

Von 2001 bis 2015 wurde das ILL im Rahmen des Millennium Programme modernisiert. Dabei wurden die Instrumente bei einer ganzen Reihe von Experimenten verbessert bzw. ausgetauscht und weiterentwickelt. Ein Beispiel ist ein Experiment zur Kleinwinkelstreuung, das nun zehnfach kleinere Details in Materialproben erkennen kann. Durch die Verbesserung der Neutronenleiter konnte der Neutronenfluss an vielen Experimenten verdoppelt werden. Außerdem bietet das ILL jetzt neue Möglichkeiten zur Bestimmung von Proteinstrukturen und ein optimiertes Datenmanagement.

An das Millennium Programme schließt sich ein weiteres Upgrade, genannt Endurance, an. Es beinhaltet Projekte im Bereich Instrumentierung und Infrastruktur. Mit dieser Investition soll das ILL weiterhin auf dem neuesten Stand der Technik gehalten werden. Damit soll das ILL noch lange und optimal genutzt sowie seine international hervorragende Stellung in der Neutronenforschung ausgebaut werden. Die Finanzierung erfolgt aus dem ILL-Budget, die Projektkosten werden auf 37 Millionen Euro geschätzt.

Steckbrief HFR

Typ:

Neutronenquelle

Technologie:

Hochflussreaktor (Kernspaltung)

Standort:

Grenoble, Frankreich

Betreiber:

Institut Laue-Langevin (ILL)

Gesellschafter:

Frankreich, Deutschland und Großbritannien

Finanzierung:

etwa zwei Drittel durch Gesellschafter

Betriebskosten:

rund 90,9 Millionen Euro pro Jahr (2014)

Deutsche Beteiligung:

33 Prozent des ILL-Grundhaushaltes

Betriebsbeginn:

1971

Flussdichte:

1,5⋅1015 Neutronen pro Sekunde und cm2

Thermische Leistung des Reaktors:

58 Megawatt

Brennstoff:

10 Kilogramm hochangereichertes Uran

Temperaturbereiche der Neutronen

Heiße Neutronen: ca. 730°C bis 5800°C

Thermische Neutronen: ca. –150°C bis 730°C

Kalte Neutronen: ca. –260°C bis –150°C

Ultrakalte Neutronen: unter –260°C

Anzahl der Instrumente:

 41 inklusive der Instrumente der Collaborative Research Group (2014)

Bestandteil folgender Roadmaps:

ESFRI („ILL 20/20 Upgrade“ als Teil des Millennium-Programms)

Wissenschaftliche Partnerländer:

12: Belgien, Dänemark, Indien, Italien, Österreich, Polen, Schweden, Schweiz, Slowakei, Spanien, Tschechische Republik, Ungarn