Landschaft der Forschungsinfrastrukturen. Der Hochflussreaktor am Institut Laue-Langevin

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1 Landschaft der Forschungsinfrastrukturen Der Hochflussreaktor am Institut Laue-Langevin

2 LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: HFR, STAND AUGUST 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 40 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. Doppelwandiges Reaktorgebäude Reaktorhalle Lager für verbrauchte Brennelemente Experimentierhalle Zweiter Kühlkreislauf Betonwand zur Abschirmung Reaktorbecken mit leichtem Wasser Strahlrohr Reaktorbecken mit schwerem Wasser Brennelement Der Hochflussreaktor HFR am ILL ist die Neutronenquelle mit der derzeit weltweit höchsten Flussdichte, die für Forschungszwecke im Einsatz ist. Der HFR erzeugt einen kontinuierlichen Fluss von 1, Neutronen pro Sekunde und Quadratzentimeter. Das 10 Kilogramm schwere Brennelement aus hoch angereichertem Uran wird mit schwerem Wasser gekühlt und die Energieerzeugung mit einem Stab aus Neutronen absorbierendem Material reguliert, der mit fortschreitendem Verbrennen des Urans langsam aus dem Reaktorkern gezogen wird. Nach außen hin wird der Reaktorkern durch leichtes, demineralisiertes Wasser abgeschirmt. (Bild: Britta von Heintze/Welt der Physik)

3 LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: HFR, STAND AUGUST 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. 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 Kilometer pro Sekunde freigesetzt. Der HFR produziert 1, 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 Kilo meter 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 Neu tronen sind je nach wissenschaftlicher Fragestellung notwendig. Anschließend werden die Neutronen mit nun unterschiedlichen Energien abgesehen von den ultrakalten Steuerstab Becken mit Wasser Tank mit schwerem Wasser kalte Quelle Deuterium bei 25 K Brennelement Strahlrohr Blick ins Reaktorinnere. Im HFR werden bei der Kernspaltung von hochangereichertem Uran Neutronen erzeugt. In Tanks mit leichtem und schwerem Wasser sowie mit Graphitblöcken werden diese abgebremst oder beschleunigt und dann über Strahlrohre und Neutronenleitrohre an rund vierzig verschiedene Experimentierplätze am ILL geleitet. (Bild: Britta von Heintze/Welt der Physik) Materialforschung: Mit dem SALSA-Experiment am ILL untersuchen Forscher unter anderem die Eigenspannungen von Bahnschienen. Die roten Regionen in diesem Querschnitt durch eine Schiene kennzeichnen Spannungen, die durch Druck entstehen. Die blauen Gebiete stehen unter Zugspannung. Bei diesem Experiment arbeiten die Forscher eng mit dem ESRF zusammen. (Bild: ILL)

4 LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: HFR, STAND AUGUST 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 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. 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 Ins trumentierung 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. 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 Gesundheitsforschung: Bei der Entstehung von Alzheimer verändert sich die Beweglichkeit von Wassermolekülen an der Oberfläche von bestimmten Proteinfasern. Um den Kontrast der beweglichen Wassermoleküle gegenüber dem Protein, das selbst Wasser enthält, bei ihren Untersuchungen mit Neutronenstrahlen zu erhöhen, haben die Forscher die Proteinfasern deuteriert. (Bild: IBS/Y.Fichou)

5 5 LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: HFR, STAND AUGUST 2016 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. HFR 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 wei teres Upgrade, genannt Endurance, an. Es beinhaltet Pro jekte 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. Forschungsinfrastruktur der Forschungsinfrastruktur der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung

6 LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: HFR, STAND AUGUST Steckbrief HFR Typ: Technologie: Standort: Betreiber: Gesellschafter: Finanzierung: Neutronenquelle Hochflussreaktor (Kernspaltung) Grenoble, Frankreich Institut Laue-Langevin (ILL) Frankreich, Deutschland und Großbritannien 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, Neutronen pro Sekunde und cm 2 Thermische Leistung des Reaktors: Brennstoff: Temperaturbereiche der Neutronen 58 Megawatt 10 Kilogramm hochangereichertes Uran 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: Wissenschaftliche Partnerländer: ESFRI ( ILL 20/20 Upgrade als Teil des Millennium-Programms) 11: Belgien, Dänemark, Italien, Österreich, Polen, Schweden, Schweiz, Slowakei, Spanien, Tschechische Republik, Ungarn

7 LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: HFR, STAND AUGUST Impressum Dieser Artikel ist Teil der Webseite Landschaft der Forschungsinfrastrukturen ( die der Projektträger DESY im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gestaltet und umsetzt. Auf der Webseite werden Großforschungsanlagen der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung aus aller Welt vorgestellt, an denen sich Deutschland derzeit wissenschaftlich und finanziell beteiligt vom Radioteleskop ALMA bis zum Röntgenlaser European XFEL. Herausgeber: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY Abteilung Projektträger DESY Notkestraße Hamburg pt@desy.de Stand: August 2016 Redaktion: Dr. Claudia Schneider Design und Layout: Britta von Heintze Bildnachweis (Titelbild, Weltkarte): ILL/Jean-Luc Baudet; Britta von Heintze/Projektträger DESY