Neutronenquelle

In der Natur kommen Neutronen nahezu ausschließlich als gebundene Teilchen in den Atomkernen vor. Folglich müssen freie Neutronen für Anwendungen in Forschung, Industrie und Medizin durch Kernreaktionen erzeugt werden. Neutronenstrahlen mit hoher Intensität für Streuexperimente werden in Kernreaktoren oder Spallationsquellen produziert.

Kernspaltung von Uran-235

Reaktorbasierte Neutronenquellen, wie die Forschungs-Neutronenquelle Heinz-Maier-Leibnitz, erzeugen Neutronen durch Kernspaltung. Dabei wird ein Neutron mit geringer Energie, ein sogenanntes thermisches Neutron, von einem spaltbaren schweren Isotop, wie z.B. ²³⁵U eingefangen. Der Uran-Kern zerfällt dabei typischerweise in zwei leichtere Kerne und 2 – 3 schnelle, hochenergetische Neutronen. Beim weiteren Zerfall der Spaltfragmente entstehen zusätzlich verschiedene leichte Elementarteilchen und γ-Strahlung. Diese Prozesse sind durch die Freisetzung von Energie begleitet. Pro Kernspaltung ist ein Neutron, welches im umgebenden Schwerwasser-Moderatortank abgebremst und ins Brennelement zurückgestreut wird, notwendig, um die Kettenreaktion aufrechtzuerhalten. Etwa 1 – 2 Neutronen stehen der wissenschaftlichen Nutzung zu Verfügung.
Der FRM II ist die leistungsstärkste Neutronenquelle in Deutschland. Bezogen auf seine thermische Leistung (20 MW) erreicht er weltweit den höchsten Neutronenfluss (8 × 10¹⁴ Neutronen cm^-2s^-1). Weitere wichtige Hochfluss-Forschungs-Neutronenquellen sind der Reaktor des Instituts Laue Langevin (ILL) in Grenoble in Frankreich, das Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in den USA, den Hochflussreaktor (HFR) in Petten, Niederlande oder BR2 in Mol, Belgien. Weitere in Deutschland betriebene Forschungs-Neutronenquellen sind der Forschungsreaktor BER II des Helmholtz-Zentrums Berlins und der Forschungsreaktor FRMZ in Mainz. Jede dieser Forschung-Neutronenquellen ist für einige spezielle Anwendungen, wie z.B. Strahlrohrexperimente für die Grundlagenforschung, Isotopenproduktion oder Brennelemententwicklung optimiert.

Neutronenspektren Neutronenspektren am Eingang der Strahlrohre bei einer Reaktorleistung von 20 MW am FRM II.

Neutronenspektren am Eingang der Strahlrohre bei einer Reaktorleistung von 20 MW am FRM II.

Um die Energie oder, in anderen Worten, die Wellenlängen von Neutronen den speziellen experimentellen Anforderungen anzupassen, kommen sogenannte sekundäre Quellen (Moderatoren) zum Einsatz. Diese sekundären Quellen verschieben das Energie- (bzw. Wellenlängen-) Spektrum der Neutronen. Heiße Quellen (Graphit, bei einer Temperatur von etwa 2200 K) oder kalte Quellen (flüssiger Wasserstoff oder Deuterium wie beim FRM II, bei ca. 20 K) ändern das Energiespektrum der freigesetzten Neutronen für verschiedene Anwendungen. Die verschiedenen Energiebereiche (Wellenlängen) von Neutronen werden dabei grob entsprechend der jeweiligen Moderator-Temperatur als heiß, warm, kalt und ultrakalt eingestuft.

Eine Spallationsquelle produziert gepulste oder quasi-kontinuierliche Neutronenstrahlen durch den Beschuss eines Target-Material aus schweren Kernen, wie Quecksilber, Tantal oder Blei, mit hochenergetischen Protonen. Im Gegensatz zur Kernspaltung von schweren Nukliden, werden bei der Spallation ca. 20 – 30 Neutronen pro einfallendem Teilchen freigesetzt. Die britische Neutronenquelle ISIS, die US-Amerikanische Neutronenquelle SNS, der japanische Forschungskomplex J-PARC sowie die Schweizer Spallationsneutronenquelle SINQ gehören zu den leistungsfähigsten Spallationsquellen weltweit. Die geplante Europäische Spallationsquelle (ESS), welche in Lund, Schweden gebaut wird, soll ein weltweit führendes Zentrum für die Forschung mit Neutronen werden.