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MW-Spallationsquellen
Der Neutronenfl uss in Forschungsreaktoren ist durch
die maximal erreichbare Leistungsdichte begrenzt. Er
hat mit dem Hochfl ussreaktor des ILL seine technisch
praktikable Grenze erreicht (s. Abb. 7.9). Neben der
Kernspaltung können Neutronen auch durch den Spallationsprozess
freigesetzt werden (s. Abb. 7.10). Hierbei
wird ein hochenergetischer Protonenstrahl (Energien im
Bereich von 1 GeV) auf ein Schwermetalltarget geschossen.
Pro eingefangenem Proton dampfen aus dem
Kern bis zu 30 Neutronen ab. Spallationsquellen setzen
die für die Forschung so wertvollen Neutronen effi zient
und sicher frei. Bei einer gepulsten Spallationsquelle
mit Leistungen im Bereich mehrerer MW werden Spitzenfl
üsse erzielt, die um ein bis zwei Größenordnungen
über dem kontinuierlichen Fluss am ILL liegen. Viele
Instrumenttypen können die Pulsstruktur einer solchen
Quelle effi zient nutzen, so dass nun zum ersten Mal
seit ca. 50 Jahren die Möglichkeit besteht, die Quell-
Spaltung
Proton (p)
Neutron (n)
langsames
Neutron
Spallation
schnelle
Primärteilchen
p
~1 Giga-
Elektronenvolt
235
U
BLEI
Spaltung des
angeregten Kerns
intranukleare
Kaskade
hoch
angeregter Kern
Kaskadenteilchen
Thermischer Neutronenfluss (n/cm 2 s -1 )
Kettenreaktion
durch moderierte
Neutronen
internukleare
Kaskade
10 18
10 15
10 12
10 9
NRX
MTR
X-10
CP-2
CP-1
1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
10 6 Jahr
Verdampfung
NRU
HFIR
HFBR
Tohoku
Linac
Reaktoren
ILL
ESS
SNS
ISIS
IPNS
LANSCE
SINQ-II
KENS
SINQ
Spallation
Abb. 7.9.
Zeitliche Entwicklung des thermischen Neutronenflusses
an existierenden und projektierten Quellen. Man sieht
deutlich das Sättigungsverhalten bei den Reaktorquellen,
während an Spallationsquellen höhere Spitzenflüsse
erzielt werden können.
Abb. 7.10.
Bei der Kernspaltung in
Reaktoren (oberes Teilbild)
bricht ein 235 U-Kern nach
Neutronenabsorption in
zwei etwa gleichschwere
Kerne auseinander. Dabei
werden im Mittel zwei bis
drei Neutronen freigesetzt.
Da Neutronen zur Aufrechterhaltung
der Kettenreaktion
benötigt werden, wird
bei diesem Prozess jeweils
nur etwa ein nutzbares
Neutron erzeugt.
Bei der Spallation (unteres
Teilbild) wird ein hochenergetisches
Proton in einem
schweren Kern absorbiert
und heizt diesen auf. Der
Kern relaxiert durch Abdampfen
von Teilchen. In
der internuklearen Kaskade
werden ca. 30 Neutronen
freigesetzt.
stärke einer Neutronenquelle signifi kant zu erhöhen.
Dies bringt nicht nur eine quantitative, sondern insbesondere
eine deutliche qualitative, Verbesserung: eine
signifi kante Erhöhung der Quellstärke erlaubt es, völlig
neuartige Experimente durchzuführen [6]. Diese Chance
wurde in den USA und in Japan erkannt, wo sich die
„Spallation Neutron Source“ SNS bzw. die „Japanese
Spallation Neutron Source“ JSNS im Bau befi nden. Die
Anlagen sollen in 2006 bzw. 2007 den Betrieb aufnehmen.
Unzweifelhaft werden sie dann wissenschaftliches
Neuland betreten, ähnlich wie dies das ILL und die
ESRF nach ihrer Inbetriebnahme geleistet haben.
Europäische Spallationsquelle
Gemäß der Empfehlung des OECD Ministerrats von
1999 sollte in den drei Erdteilen Nordamerika, Europa
und Japan (für den Asiatisch-Australischen Raum)
jeweils eine MW-Spallationsquelle realisiert werden.
In Europa, welches mit Abstand die größte Neutronennutzergemeinde
hat, wurde daher der Bau einer „European
Spallation Source ESS“ vorgeschlagen [6]. Im
vollen Ausbau sollte diese Quelle zwei Targetstationen
mit je 5 MW Leistung für je 24 Instrumente besitzen,
ein Kurzpulstarget mit 50 Hz Pulsfrequenz bei 1,4 µs
Pulsdauer und ein Langpulstarget mit 16 2/3 Hz bei 2 ms
Pulsdauer.
Spallation bringt mehr Leistung
Abbildung 7.11 zeigt eindrucksvoll die Leistungsfähigkeit
einer solchen Quelle im Vergleich zu den existierenden
Quellen ILL und ISIS und dem Ausbauprojekt
ISIS-II [2]. Die existierenden europäischen Spitzenquellen
fallen gegenüber dem SNS-Projekt deutlich
ab. Dieser Abstand wird sich noch vergrößern, wenn
der projektierte Ausbau der SNS auf 4 MW realisiert
wird. Wegen der langen Zeit von mindestens 8 Jahren
zwischen Projektstart und Inbetriebnahme einer Quelle
der nächsten Generation muss in Europa möglichst bald
eine Entscheidung zugunsten einer europäischen Spitzenquelle
fallen, wenn Europa nicht auf einem Wissenschaftsgebiet,
auf dem es momentan unangefochten die
Spitzenstellung hält, deutlich hinter USA und Japan
zurückfallen will. Mit der Realisierung einer Langpulsquelle
als erstem Schritt könnte die europäische Führung
auf einigen Gebieten der Wissenschaft ausgebaut
werden, insbesondere in den wichtigen Feldern „Weiche
Materie“ und „Biologie“. Wegen der Komplementarität
einer Langpulsquelle zu den im Bau befi ndlichen
Kurzpuls-Quellen SNS und JSNS steht zu erwarten,
dass Europa dann wieder wissenschaftliches Neuland
betreten kann, ähnlich wie dies, beginnend 2007, an der
SNS geschehen wird.
6
5
4
3
2
1
0
Mittlere Quellstärken
Relativ zur SNS
Prioritär
andere
Mittel
ISIS-II ISIS/ILL 1MW SNS LPTS ESS
Abb. 7.11.
Die über verschiedene Instrumenttypen gemittelte Quellstärke
für das Ausbauprojekt ISIS-II, die bestehenden
Quellen ILL und ISIS, eine 1 MW-Kurzpulsquelle, die
SNS (normiert auf 1), die Langpulsquelle des ESS-Projekts
und die voll ausgebaute ESS. Jeweils gezeigt ist
die Quellstärke für prioritär zu bauende Instrumente, alle
anderen Instrumente und den Mittelwert über alle Instrumente.
Bei der Darstellung des SNS Projekts wurde die
projektierte thermische Leistung der Quelle von 1,4 MW
und eine voll ausgebaute Instrumentensuite zu Grunde
gelegt. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die volle
Quellstärke der SNS erst nach einer Übergangszeit von
mehreren Jahren erreicht werden kann. In dieser Übergangszeit
werden die europäischen Quellen ILL und
ISIS konkurrenzfähig bleiben.
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