Quellen für Neutronenstrahlung: Forschungsreaktoren - SNI-Portal

FRM-II
Der FRM-II hat ein einziges zylinderförmiges Brennelement
mit ca. 8 kg hochangereichertem Uran und
gestaffelter Urandichte von 1,5 – 3 g/cm 3 . Mit 20 MW
thermischer Leistung und einem ungestörten Fluss
thermischer Neutronen von 8 ∙ 10 14 n/cm 2 s bietet er das
weltweit beste Verhältnis von thermischer Leistung zu
Neutronenfluss. Die Kühlung des Brennelements erfolgt
durch H 2 O, die Moderation durch einen D 2 O Moderator.
Ein Brennelementzyklus beträgt 52 Tage, max. fünf
Zyklen pro Jahr = 260 Tage können betrieben werden.
Die untermoderierte Kalte D 2 O-Quelle, die 2000 °C
warme Heiße Quelle und eine Konverteranlage für
unmoderierte schnelle Neutronen verschieben das
thermische Wellenlängenspektrum ins Optimum der
gewünschten Nutzung. 10 horizontale und 2 schräge
Strahlrohre ermöglichen den Austritt der Neutronen
zu den Experimentiereinrichtungen. Aus einem der
schrägen Strahlrohre wird mittels intensiver Gammastrahlung
und spontaner Paarbildung ein intensiver
thermischer Positronenstrahl mit einem Fluss von
10 8 - 10 9 p/cm 2 s extrahiert. Die Instrumente sind in der
Experimentierhalle rund um den Reaktorkern und in
einer Halle mit Neutronenleitern für kalte Neutronen
untergebracht.
Breites Spektrum
Die Strahlrohrinstrumente des FRM-II werden von
externen Expertengruppen betrieben, wobei 2/3 der
Strahlzeit durch ein unabhängiges Gutachtergremium
an allgemeine Nutzer vergeben werden. Für die Probenumgebung
stehen Kryostaten und Öfen für Temperaturen
zwischen 50 mK und 2000 °C und Magnetfelder bis
zu 14,5 Tesla zur Verfügung. Druckapparaturen sind
im Aufbau. Die Nutzung polarisierter Neutronen wird
durch HELIOS, einer leistungsfähigen Anlage zur Polarisation
von 3 He für annähernd alle Instrumente ermöglicht.
Ein industrielles Anwenderzentrum innerhalb des
FRM-II-Geländes fördert die industrielle Nutzung des
FRM-II, es werden sowohl Büro- als auch Laborflächen
zum Umgang mit Radioaktiva zur Verfügung gestellt.
Zukunft
Das Forschungszentrum Jülich wird zum Mai 2006
seine Neutronenquelle schließen, seine leistungsfähigsten
Neutronenstreuinstrumente zum FRM-II transferieren
und sich mit einer Außenstelle am Nutzerbetrieb
des FRM-II beteiligen. Mit der später vorgesehenen
Schließung der Geesthachter Neutronenquelle wird
ebenfalls die GKSS den Nutzerbetrieb durch weitere
Instrumente zur Materialforschung unterstützen. Bis
Ende 2006 wird hierzu an der Ostseite des FRM-II eine
weitere Neutronenleiterhalle in Kombination mit Büro-
und Laborräumen errichtet.
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ILL
Das Institut Laue-Langevin wurde 1967 gegründet; sein
57 MW-Reaktor, der 1971 kritisch wurde, liefert mit ca.
1,5 ∙ 10 15 n/cm -2 s -1 den weltweit höchsten Fluss thermischer
Neutronen. Eine heiße Quelle, zwei kalte Quellen
mit 12 Neutronenleitern sowie ultrakalte Neutronen
erweitern das Spektrum zu hohen und niedrigen Energien
hin deutlich. Die Erneuerung des Reaktortanks in
den 90er Jahren und die gegenwärtigen umfassenden
Maßnahmen zur Erhöhung der Sicherheit (REFIT-Programm
bis 2006), insbesondere der Erdbebensicherheit,
versprechen eine hohe Zuverlässigkeit des Reaktors für
die kommenden Jahre.
Breites Spektrum
Für die Versorgung mit Neutronen ist ein ausgeklügeltes
System von Neutronenleitern, die Instrumente
in zwei großen Neutronenleiterhallen bedienen, von
zentraler Bedeutung. Derzeit stehen insgesamt 25 vom
ILL betriebene „öffentliche“ Instrumente zur Verfügung,
demnächst möglicherweise 30. Die Nutzung ist
über ein Proposalsystem geregelt. Zirka 750 Nutzerexperimente
werden in den 4½ 50-tägigen Reaktorzyklen
pro Jahr durchgeführt (bis Ende 2006 ausnahmsweise
nur 3 Zyklen). Zusätzlich zu den 25 öffentlichen
Instrumenten stehen 11 von externen Forschergruppen
betriebene Instrumente zur Verfügung.
Eine breit angelegte Modernisierung von Instrumenten
und Neutronenleitern - das im Jahr 2000 gestartete
Millenniumprogramm - führt bereits heute zu einem
mittleren Intensitätsgewinn von einem Faktor 5; ein
Faktor 15 wird angestrebt. Dabei sind auch andere
Qualitäten wie Auflösung, dynamischer Bereich, Polarisation
und Zuverlässigkeit Gegenstand der Verbesserungen.
Über 10 Millenniumsprojekte sind bereits zum
Vorteil der Nutzer erfolgreich abgeschlossen. Damit
dürfte sich die Attraktivität der Einrichtungen des ILL
auch in Zukunft weiter steigern. Wesentliche Basis
für diese moderne Instrumentierung sind ILL-eigene
Entwicklungen auf dem Gebiet der Detektoren, Monochromatoren,
Neutronenpolarisation, Probenumgebung
und Instrumentesteuerung. Auf vielen dieser Gebiete
hat das ILL eine führende Rolle erworben. Die Wissenschaftsdisziplinen
am ILL umfassen die Festkörper-
und Materialforschung, Biologie und weiche Materie,
Chemie und Ingenieurswesen, Kern- und Teilchenphysik.
Auf allen Gebieten liefert das ILL Beiträge von
Weltklasse, die auch für die Forschung mit Neutronen
in Deutschland nicht wegzudenken sind.
Das ILL wird getragen von drei Gesellschafterländern
- von Frankreich, dem Vereinigten Königreich und
Deutschland - von denen der Hauptanteil der Finanzierung
erbracht wird. Sieben sogenannte „wissenschaftliche
Partner“ ergänzen das internationale Spektrum der
Partnerländer, dessen Erweiterung derzeit aktiv betrieben
wird.
Zukunft
Gegenwärtig läuft der ILL-Vertrag bis zum Jahr
2014. Der internationale Erfolg des ILL, die steigende
Nachfrage nach Neutronen am ILL und die vielen
Erneuerungsmaßnahmen sollten der Garant einer
Verlängerung um weitere 10 Jahre sein. Gemeinsam
mit ESRF und EMBL ist der Ausbau des gemeinsamen
Geländes zu einem großen multidisziplinären Campus
geplant. Den Nutzern wird mit der „Partnership for
Structural Biology“ und der „Facility for Materials
Engineering“ neuartige Unterstützung gegeben. Von
einem Flugzeitinstrument mit viel größerem Detektor
bis hin zur zeitaufgelösten Neutronentomographie sind
neue Instrumente im Bau. Kürzlich wurde eine neue
Dreidimensionale Polarisationsanalyse für inelastische
thermische Instrumente erfolgreich getestet. Diskutiert
wird eine generelle Verstärkung der Aktivitäten
des ILL auf dem Gebiet der kalten und ultrakalten
Neutronen.