Eine Spallationsquelle ist grundsätzlich ein großer Teilchenbeschleuniger, der geladene Teilchen, wie z.B. Protonen, beschleunigt und sie auf ein feststehendes Target (manchmal auch Konverter genannt) schießt. Wenn die Energie des Projektils groß genug ist, wird dann in einem Atomkern eine intranukleare Kaskade ausgelöst, die mehrere Kernteilchen herausschlägt. Unter diesen Kernteilchen befinden sich immer auch mehrere Neutronen, die dann durch Neutronenleiter zu Experimenten geleitet werden können, wo man sie dazu benutzt (ähnlich wie Röntgen, nur besser), tief in Materialien hineinzublicken.

Der Spallationsprozess setzt erst ab relativ hohen Energien ein (>150MeV) und wurde daher zuerst in der Astrophysik beobachtet, als diese Energiebereiche mit Linearbeschleunigern technisch noch nicht realisierbar waren. Als Neutronenquelle kam Spallation immer mehr ins Gespräch, nachdem alte Kernreaktoren, die zu Forschungszwecken Neutronen produzierten, immer mehr außer Mode kamen. Wie ich ja schon öfter erwähnt habe, sind Neutronen eine sehr tolle Methode um Festkörper und organische Systeme zu untersuchen, aber sie haben einen riesigen Nachteil: Neutronen werden nur in Kernprozessen erzeugt. Diese Kernprozesse können Kernspaltung sein, wie in Forschungsreaktoren oder eben Spallation. Im Atomzeitalter, nach dem zweiten Weltkrieg, gab es ausreichend Möglichkeiten um Forschungsreaktoren zu betreiben und zu bauen, so dass es eigentlich fast immer genug Quellen gab, um den wissenschaftlichen Bedarf an Neutronen zu decken. Dann aber wurden die Reaktoren immer älter und das politische Klima änderte sich, so dass neue Forschungsreaktoren teurer und problematischer wurden. Gleichzeitig entwickelten sich die Teilchenbeschleuniger weiter, so dass Linearbeschleuniger mit modernen supraleitenden Cavities Energien erreichen konnten, in denen Spallation einsetzt.

Die ersten Schritte in Richtung Spallationsquellen wurden mit alten Teilchenbeschleunigern gemacht, die vorher in der Kernphysik eingesetzt worden waren. Dort hatte man im entsprechenden Energiebereich Kernprozesse erforscht, aber da sich die Teilchenbeschleuniger weiterentwickelt hatten, gab es dort eben nur noch die Möglichkeit, die alten Geräte aufzurüsten oder andere Verwendungszwecke zu suchen. Teilchenbeschleuniger, nur zum Zweck der Spallationsquelle für Neutronen, gibt es erst seit ca. 10 Jahren.

Spallationsquellen haben einige entscheidende Vorteile gegenüber Forschungsreaktoren, sind aber auch (vor allem auf ingenieurstechnischer Seite) komplizierter. Zuallererst haben Spallationsquellen normalerweise kein Uran oder sonstigen Brennstoff und das Target besteht aus Blei, Wolfram oder einem ähnlichen schweren Material, das man nicht zum Bombenbau benutzen könnte. Spallation ist darüber hinaus wesentlich effektiver als Kernspaltung. Bei einer Kernspaltung entstehen drei Neutronen pro gespaltenem Atom. Bei einer intranuklearen Kaskade dagegen dampfen aber ca. 15-30 Kernteilchen pro Atom ab, von denen meist die Hälfte Neutronen sind, so dass ich am Ende wesentlich mehr Ausbeute habe (auch in Relation zur anfallenden Abwärme). Darüber hinaus kann ich den Teilchenbeschleuniger im Pulsbetrieb nutzen und nur in bestimmten Abständen Neutronen produzieren. Wenn ich das mit einem Reaktor erreichen wollte, dann müsste ich in bestimmten Abständen den Neutronenstrahl wegfiltern und die Neutronen vernichten. Als letztes kann man mit Spallation keine Kernschmelze oder ähnliches produzieren. Wenn ich den Strom des Teilchenbeschleunigers ausschalte, dann passiert gar nichts mehr, während eine Kettenreaktion so lange weiterläuft, solange der Kernbrennstoff nah beieinander liegt.

Das ist dann aber auch direkt ein Nachteil. Die Spallationsquelle benötigt Strom und zwar eine ganze Menge, während Kernspaltung eben eine Art chemische Reaktion fossiler Brennstoffe ist und man keine Energie von außen hinzugeben muss. Energie von außen ist dann auch wieder ein gutes Stichwort, denn sowohl Kernspaltung, als auch Spallation produzieren thermische Leistung (im MWatt Bereich), die weggekühlt werden muss. Bei einem Forschungsreaktor kann man das relativ einfach durch einen Kühlkreislauf realisieren, aber bei der Spallation entsteht die Wärme sehr lokal konzentriert und die Kühlung des Targets ist eine der technisch schwierigsten Punkte an dem ganzen Unterfangen. Bei der Spallation sind die Energien bei der Neutronenerzeugung auch noch mal wesentlich höher, so dass nicht nur Neutronen und Protonen, sondern auch auch jede Menge anderer exotischerer, hochenergetischer Teilchen erzeugt werden. Diese müssen auch noch mal abgeschirmt werden und beschädigen im besten Fall lediglich die nahe gelegenen Baumaterialien. Die Neutronenstrahlung in der Nähe des Targets ist teilweise so hoch, dass sogar Stahl und andere, eher unempfingliche Materialien Strahlenschäden davontragen und so ihre mechanischen Eigenschaften während ihrer Lebenszeit teilweise drastisch abnehmen.

Trotz allem ist Spallation die Neutronenquelle der Zukunft. Denn während Forschungsreaktoren ein natürliches Maximum haben, wie viele Neutronen sie bestenfalls produzieren können, sind Spallationsquellen quasi nach oben offen. Wie viele Neutronen pro Sekunde eine Spallationsquelle produzieren kann, hängt letztendlich nur davon ab, wie viel Geld man bereit ist zu investieren, wie groß der Teilchenbeschleuniger ist und wie gut die Wärme vom Target abtransportiert werden kann.

Die Europäische Spallationsquelle – ESS, die uns der Capt’n ja schon letzte Woche vorgestellt hat wird 10-100 mal mehr Neutronen pro Sekunde pro Raumwinkel produzieren als jede andere Quelle auf der Welt. Damit können wir nicht nur alles, was wir jetzt schon tun, viel schneller und präziser machen, sondern es gilt mehr oder weniger das gleiche, wie beim Bau des LHC: Durch die neue Technik stoßen wir in Welten von, die noch nie zuvor ein Mensch gesehen hat und können Dinge sichtbar machen, von denen wir heute noch nicht wissen, dass es sie überhaupt gibt. Ich freue mich schon sehr darauf.

Kommentare (7)

  1. #1 Ludger
    9. März 2015

    “Durch die neue Technik stoßen wir in Welten von, die noch nie zuvor ein Mensch gesehen hat und können Dinge sichtbar machen, von denen wir heute noch nicht wissen, dass es sie überhaupt gibt.”

    Und ich hoffe, dass wir hier lesen werden, was man alles so vor hat. Es gibt aber auch Erklärungsbedarf für Fragen aus der Vergangenheit: Die Himmelsscheibe von Nebra wurde am Teilchenbeschleuniger BESSY in Berlin von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung untersucht, die Goldauflagen der Himmelsscheibe von Nebra mit SRXRF (Synchrotron Radiation Induced X-Ray Fluorescence Analysis) [Wikipedia]. So konnte die Herkunft der Metalle erforscht werden. Könnt Ihr dann auch sowas machen?

  2. #2 Tobias Cronert
    9. März 2015

    Zur Materialanalyse können Neutronen auch sehr gut benutzt werden, vorallem ergänzend zu Röntgen. Röntgen streuen an der “Elektronenwolke” des Atoms, während Neutronen direkt am Atomkern streuen. Daher bilden die beiden Verfahren unterschiedliche Kontraste ab und ergänzen sich sehr gut, wie z.B. hier vom PSA und einer Buddha Statue http://www.psi.ch/media/das-laecheln-des-buddha

  3. #3 Ludger
    9. März 2015

    Bei dem Buddha hat man ja ähnlich einer Roentgenuntersuchung ein Schattenbild erzeugt und es auf einer lichtempfindlichen Folie festgehalten. Ist das die Hauptverwendung? Spielt die Erzeugung von Isotopen eine Rolle?

  4. #4 werner
    9. März 2015

    “…während Kernspaltung eben eine Art chemische Reaktion fossiler Brennstoffe ist…”
    Hüstel! Na, das ist wohl nicht so ganz gelungen.
    Eine chemische Reaktion fossiler Brennstoffe ist z.B. das Verbrennen von Kohle. Chemie sind die Veränderungen in der Elektronenhülle des Atoms, nicht des Atomkerns!

  5. #5 wereatheist
    10. März 2015

    Die Europäische Spallationsquelle – ESS, die uns der Capt’n ja schon letzte Woche vorgestellt hat wird 10-100 mal mehr Neutronen pro Sekunde produzieren als jede andere Quelle auf der Welt.

    Neutronenflussdichte per Raumwinkelelement, nehme ich an?

  6. #6 wereatheist
    10. März 2015

    Also nicht die Gesamtanzahl erzeugter Neutronen – dabei sind Reaktoren unschlagbar…

  7. #7 Tobias Cronert
    10. März 2015

    @Ludger: Die Hauptanwendungen sind Streuexperimente, wie Diffraktometrie (funktioniert ähnlich, wie Röntgen http://de.wikipedia.org/wiki/R%C3%B6ntgendiffraktometer) oder Small Angle Scattering http://en.wikipedia.org/wiki/Small-angle_scattering. Aber da gibt es leider keine einfachen Bilder zu.

    @ Werner: Das habe ich schon absichtlich so geschrieben. In der Radiochemie wird oft natürlicher radioaktiver Zerfall als genuin chemische Reaktion angesehen und nur induzierte Kernreaktionen als physikalische Reaktion. Ich finde nicht, dass mann da eine klare Linie “an der Atomhülle” ziehen kann oder sollte.

    @wereatheist: Ähm ja, Sogar die Gesamtzahl nutzbarer Neutronen ist bei der ESS höher, nicht nur der Fluß (wobei das mehr oder weniger aufs gleiche herauskommt). Wie stark die Quelle und Moderatoren gerichtet sind ist zur Zeit noch stark in der Diskussion, aber Gesamtzahl ist def. falsch. Ich werde mir mal eine bessere Formulierung aussuchen, danke, dass du mich drauf aufmerksam gemacht hast.