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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. 86 MW-Spallationsquellen 87
SNS In den Vereinigten Staaten wird zurzeit am Oak Ridge National Laboratory eine 1,4 MW-Spallations-Neutronenquelle errichtet (www.sns.gov). Träger des Projektes, dessen Kosten sich auf 1,4 Milliarden US $ belaufen, ist das Department of Energy (DOE). Im Juni 2006 wird die Anlage in einer ersten Ausbaustufe mit fünf Instrumenten fertig gestellt sein und den Nutzerbetrieb für die nationale und internationale Neutronenstreu- Community als die dann weltweit leistungsfähigste Spallationsquelle aufnehmen. Kurzpulsquelle bei 60 Hz Die SNS ist als 60 Hz Kurzpuls-Quelle (0,7 µs Pulslänge) ausgelegt. Das Flüssig-Quecksilber-Target ist von drei Moderatoren mit superkritischem Wasserstoff und einem Moderator bei Raumtemperatur umgeben. Insgesamt können 24 Instrumente an der Targetstation untergebracht werden. Zurzeit sind 17 Instrumente geplant und teilweise im Bau. Fünf dieser Instrumente gehören zur Erstausstattung, die restlichen werden sukzessive in den Jahren 2006 bis 2011 in Betrieb genommen. Einen Überblick über die Anlage im Bau gibt Abb. 7.12. In Abb. 7.13 sind die 17 bisher geplanten Instrumente und ihre Anordnung an der Targetstation schematisch dargestellt. Auch Deutschland beteiligt sich mit einem Spinecho-Gerät. Weiterer Ausbau geplant Bereits jetzt bestehen Pläne für einen weiteren Ausbau der Anlage. So wird der Bau einer zweiten Targetstation mit Platz für bis zu 22 zusätzliche Instrumente speziell für die Nutzung langwelliger Neutronen überlegt. Außerdem soll in einer vom DOE bereits genehmigten Designstudie die Möglichkeit einer Leistungserhöhung von 1,4 auf 3 bis 4 MW untersucht werden. Wenn diese Pläne verwirklicht werden, wird die SNS die stärkste Neutronenquelle der Welt sein mit Leistungsdaten, die nahe an jene Daten herankommen, die der ESS-Planung zu Grunde lagen. JSNS Japan hat 2002 in Tokai mit dem Bau von J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex), einem großen Beschleunigerkomplex, begonnen. Das Projekt wird von KEK (National High-Energy Accelerator Research Organisation) und JAERI (Japan Atomic Energy Research Institute) gemeinsam durchgeführt. Ziel von J-PARC ist es, durch Beschuss eines Targets mit hochenergetischen Protonen Sekundärstrahlen von Teilchen wie Neutronen, Myonen, Neutrinos, Kaonen und Antiprotonen zu erzeugen und für die verschiedensten Experimente zur Verfügung zu stellen. Ein Kernstück der gesamten Anlage wird die JSNS sein, eine 1 MW- Spallationsneutronenquelle, die der „Materials and Life Science Experimental Facility“ von J-PARC als Großgerät dient. Abb. 7.15 zeigt einen Überblick über den gesamten Beschleunigerkomplex. Backscattering Spectrometer BL 2 High-Pressure Diffractometer BL 3 Magnetism Reflectometer BL 4a Liquids Reflectometer BL 4b Cold Neutron Chopper Spectrometer BL 5 Small-Angle Neutron Scattering Diffractometer BL 6 Disordered Materials Diffractometer BL 1b Engineering Diffractometer [VULCAN] BL 7 BL 1a BL 9 BL 8b BL 8a Wide-Angle Chopper Spectrometer [ARCS] BL 18 Vibrational Spectrometer [VISION] BL 16b BL 10 BL 16a High-Resolution Chopper Spectrometer [SEQUOIA] BL 17 Neutron SpinEcho BL 15 Macromolecular Diffractometer BL 11b Powder Diffractometer [POWGEN] BL 11a Hybrid Spectrometer [HYSPEC] BL 14b BL 14a Fundamental Physics Beam Line BL 13 Single-Crystal Diffractometer BL 12 Kurzpulsquelle bei 25 Hz Die JSNS ist eine Kurzpulsquelle (0,8 µs Pulslänge) mit Flüssig-Quecksilber-Target, die mit 25 Hz betrieben wird. Diese im Vergleich zur SNS (60 Hz) geringere Puls-Repetitionsrate bei entsprechend höherer Intensität pro Puls bedeutet eine Optimierung von JSNS zugunsten von Experimenten mit längerwelligen Neutronen und hochaufl ösenden Instrumenten mit langen Flugwegen. Drei Moderatoren mit superkritischem Wasserstoff erlauben die Installation von maximal 23 Instrumenten. Es wird erwartet, dass Neutronenstreuexperimente an der JSNS ab Frühjahr 2009 möglich sind. Zu diesem Zeitpunkt sollen dann 10 Instrumente betriebsbereit sein. In Abb. 7.14 sind diese Instrumente der Erstausstattung schematisch dargestellt. ESS-I Das ESS Council, in dem alle führenden Neutronenzentren und einige Universitäten vertreten waren, hat im Dezember 2003 seinen Abschlussbericht vorgelegt [6]. In der Neutronen-Arbeitsgruppe des „European Strategy Forums for Research Infrastructures“ ES- FRI wurden die 4 verschiedenen Optionen für eine Spallationsquelle der nächsten Generation bewertet [2]: die voll ausgebaute ESS mit je einer 5 MW-Kurzpulsund Langpuls-Targetstation, eine zeitlich gestaffelte Realisierung beginnend mit einer 5 MW-Langpulsquelle, eine neue 1 MW-Quelle oder eine Leistungserhöhung von ISIS auf 1 MW. Nur die ersten beiden Alternativen würden die führende Stellung Europas in der Forschung Bio-Molecular Spectrometer K. Shibata (JAERI) Small Angle Scat. (High intensity) J. Suzuki (JAERI) Reflectometer (Horizontal) N. Torikai (KEK) Powder diffractometer (High Resolution) T. Kamiyama (KEK) Chopper Inst. (High Resolution) S. Itoh (KEK) Stress Analysis Diffractometer A. Moriai (JAERI) Bio-Molecular X-tal Diff. (Versatile) I. Tanaka (Ibaraki Univ.) Low Energy Chopper Instrument K. Nakajima (JAERI) Total Scattering Inst. (Amorphous) T. Otomo (KEK) Powder diffractometer (Versatile) Ishigaki (Muroran I.T.) mit Neutronen langfristig gewährleisten. Inzwischen hat ESFRI empfohlen, eine Prioritätenliste (Roadmap) für den Ausbau der Forschungsinfrastruktur in Europa zu erstellen. Es ist die Überzeugung des KFN, dass eine Multi-MW-Spallationsquelle als die europäische Neutronenquelle der nächsten Generation auf dieser Prioritätenliste ganz oben stehen muss. Initiative für die Europäische Spallationsquelle ESS-I Am 1. April 2005 wurde eine Initiative für die Europäische Spallationsquelle ESS-I ins Leben gerufen. Gründungsmitglieder sind: die Europäische Neutronenstreuvereinigung ENSA als Nutzervertretung, die führenden europäischen Neutronenzentren ILL, LLB (für CEA und CNRS) und FZJ, und die Standortbewerber aus Yorkshire, Skandinavien, Ungarn und Sachsen-Anhalt / Sachsen. Die Ziele der Initiative sind: • als Ansprechpartner für die politischen Entscheidungsträger zu fungieren; • die wissenschaftliche Begründung auf Grundlage der ESS-Studie fortzuschreiben; • die technische Entwicklung in relevanten Bereichen (Beschleuniger- und Targettechnologie) zu fördern; • die Verbindung zu den amerikanischen und japanischen Projekten SNS bzw. JSNS zu halten. Wie in der KFN-Roadmap von 2003 empfohlen, wurde das ESS-I Projektbüro an der europäischen Neutronenquelle, dem ILL in Grenoble, eingerichtet. Weitere Informationen fi nden sich auf dem Europäischen Neutronenportal www.neutrons-eu.net. Materials and Life Science Experimental Facility Hadron Beam Facility 500 m Abb. 7.13. Die 17 bisher geplanten Instrumente an der SNS und ihre Anordnung an der Targetstation. Mehr Informationen unter www.sns.gov. Abb. 7.14. Die 10 Instrumente der Erstausstattung von J-PARC. Mehr Informationen unter jkj.tokai.jaeri.go.jp. Nuclear Transmutation Neutrino to Kamiokande Linac (350m) 3 GeV Synchrotron (25 Hz, 1MW) 50 GeV Synchrotron (0.75 MW) J-PARC = Japan Proton Accelerator Research Complex Abb. 7.12. Die SNS im Bau. Abb. 7.15. Überblick über den Beschleunigerkomplex J-PARC. 88 MW-Spallationsquellen 89
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