Es muss nicht unbedingt ein Reaktor sein

Spallationsquelle als Alternative

Atomreaktoren sind die klassischen Neutronenquellen für die Forschung. Die Spallations-Neutronenquelle stellt einen alternativen Weg mit gewissen Vorteilen dar. Seitdem vor etwa 10 Jahren die Pläne für den neuen Garchinger Forschungsreaktor FRM II öffentlich bekannt geworden sind, wird diese Alternative auch immer wieder diskutiert. In der Zwischenzeit wurde eine moderne Spallationsquelle mit kontinuierlichem Neutronenstrahl (SINQ) in der Schweiz in Betrieb genommen. Für eine europäische leistungsstarke Spallationsquelle mit gepulstem Strahl wurde ein Konzept erarbeitet. Diese könnte im Jahr 2010 die weltweit stärkste und alle Anwendungsgebiete abdeckende Neutronenquelle werden.

Atomreaktoren: die klassischen Neutronenquellen

Atomreaktoren waren lange Zeit die einzigen ergiebigen Neutronenquellen für die Grundlagenforschung und sind es zum überwiegenden Teil auch heute noch. Das Maß für die Leistungsfähigkeit eines Reaktors ist dabei der maximale thermische Neutronenfluss. Dieser kontinuierliche Neutronenfluss konnte in den letzten 30 Jahren in Forschungsreaktoren sehr beachtlich, nämlich um drei Größenordnungen, gesteigert werden. Den weltweit höchsten Neutronenfluss erzielte der 1971 in Betrieb gegangene und unter deutscher Beteiligung gebaute und betriebene Hochflussreaktor in Grenoble (57 MW) mit 1,2 · 10¹⁵ Neutronen/cm²s. Diese offensichtlich magische Grenze von 10¹⁵ n/cm²s konnte bei später gebauten oder verbesserten Reaktoren nicht mehr durchbrochen werden. Auch der geplante Garchinger Forschungsreaktor FRM II wird diesen hohen Fluss bei weitem nicht erreichen.

Die hohen Neutronenflüsse waren nur durch eine Kompaktierung des Reaktorkerns möglich geworden. Da sich aber dadurch gleichzeitig die Leistungsdichte enorm erhöhte, war man so in gewisser Weise an die Grenzen der Kühlbarkeit gestoßen. In den USA gab es noch den ehrgeizigen Versuch der Advanced Neutron Source (ANS). Mit einem 350-MW-Reaktor mit einem Kompaktkern aus hochangereichertem Uran wollte man den bisher erreichten Neutronenfluss noch um einen Faktor 5 bis 6 steigern. 1996 wurde das Projekt aber vom US Department of Energy aus Kostengründen und aufgrund der US amerikanischen Nonproliferationspolitik eingestellt.

Um den Spitzenfluss noch weiter zu steigern, versuchte man auch, gepulste Reaktoren zu bauen. Dies tat man aus folgenden Überlegungen: Da bei vielen Experimenten der Neutronenstreuung monochromatische Neutronen (Neutronen gleicher Geschwindigkeit) benötigt werden, muss eine bestimmte Geschwindigkeit und damit Energie und Wellenlänge der Neutronen festgelegt sein. Die Auswahl der Geschwindigkeit erfolgt über die Flugzeit (Abb.1). Man verwendet dazu üblicherweise Chopper (Blenden), die den kontinuierlichen Neutronenstrahl nur kurzzeitig öffnen. Der Reaktorstrahl wird so in Pulse zerhackt, wobei dann bis zu 99 % der Neutronen unwiederbringlich ausgeblendet werden. Analog verhält es sich, wenn zu diesem Zweck bestimmte Neutronenwellenlängen mit Filtern aus dem Strahl ausgeblendet werden. Man würde also einen phantastischen Spitzenfluss erhalten, wenn man einen Reaktor bei gleicher mittlerer Leistung so im Takt betreiben könnte, dass bis zu 99 % der Neutronen im Puls gebündelt sind. Ein Beispiel für diese Vorgehensweise ist der im russischen Forschungszentrum Dubna entwickelte gepulste Reaktor IBR-2. Er erreichte mit einer mittleren thermischen Leistung von 2 MW einen Spitzenfluss von 10¹⁶ n/cm²s. Allerdings blieb er aufgrund seiner niedrigen Pulsfrequenz (Anzahl der Pulse pro Zeiteinheit) dennoch weit hinter den Wunschvorstellungen der Neutronenanwender zurück.

 

Abb.1: Eine rotierende Scheibe (Kreisfrequenz ), die bis auf einen schmalen radialen Schlitz mit einer neutronenabsorbierenden Schicht belegt ist, erzeugt einen kurzen Puls polychromatischer Neutronen (Neutronen verschiedener Geschwindigkeit). Eine zweite nachgeschaltete Scheibe im Abstand L und mit einem um den Winkel verdrehten Schlitz lässt nur Neutronen einer bestimmten Geschwindigkeit (v = L/) durch.

Der Schritt zur Spallationsquelle

Neutronen kann man nicht nur "sanft" mit thermischen Neutronen durch Spaltung von schweren Atomkernen freisetzen, sondern auch mit "brachialer" Gewalt über eine Zersplitterungsreaktion (Spallation). Bei der Spaltung werden besonders neutronenreiche Atomkerne wie Uran 235 durch Einfang langsamer Neutronen instabil und brechen unter Aussendung von zwei bis drei schnellen Neutronen auseinander. Dabei wird insgesamt Energie frei. Die abgebremsten Neutronen können eine neue Spaltreaktion auslösen. Die Spallation ist nur mit hochenergetischen geladenen Teilchen möglich. Wenn man Atomkerne mit Protonen hoher Energie beschießt, dann lösen die energiereichen Teilchen mehrstufige Kaskadenprozesse aus, bei denen Nukleonen, Mesonen und Gammastrahlung emittiert werden. Die Kerne werden durch diese Prozesse schließlich so stark aufgeheizt bzw. angeregt, dass sie in einem Verdampfungsprozess eine große Anzahl von Neutronen abdampfen. Da dabei insgesamt Energie verbraucht wird, kommt es nicht zu einer Kettenreaktion. Abhängig von der Energie des primären Protons und vom Targetmaterial (Target = die mit Protonen beschossene Platte; s. Abb.2) werden etwa 10 mal mehr hochenergetische Neutronen pro Proton frei als bei der Kernspaltung pro Neutron, wobei im letzteren Fall stets ein Neutron zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion benötigt wird. Das Spektrum der Verdampfungsneutronen ist einem Spaltspektrum sehr ähnlich. Dadurch ist es wie bei einem Reaktor möglich, die Neutronen mit Wasser in einem relativ kleinen Volumen auf thermische Energien abzubremsen und so eine Neutronenquelle zu erhalten (Abb.2). Der Wärmeumsatz pro nutzbarem Neutron ist bei der Spallation deutlich geringer als bei der Kernspaltung. Bei der Kernspaltung müssen 200 MeV pro nutzbarem Neutron aus dem Kernbrennstoff weggekühlt werden, wogegen bei der Spallation nur 25 MeV/Neutron im Target anfallen. Dennoch ist auch bei der Spallation eine Kühlung der Umgebung (Moderatoren, Abschirmung und Strukturmaterialien) erforderlich.

 

Abb.2: Schematischer Aufbau einer Spallationsquelle

Da die Spallationsreaktion nur unter Energiezufuhr aufrecht erhalten werden kann, also nach Abschalten der Energiequelle sofort erlischt, lässt sich der Freisetzung der Neutronen prinzipiell jede gewünschte Zeitstruktur aufprägen. Dies entspricht der Forderung der Neutronenstreuung, die gepulste Reaktoren schlecht oder gar nicht erfüllen können. Die Aufrechterhaltung der Neutronenproduktion besorgt dabei der Protonen-Beschleuniger. An diesen sind gewaltige Anforderungen zu stellen, wenn eine "beliebige" Zeitstruktur verwirklicht werden soll. Das Target ist bei der Spallation die Quelle schneller Neutronen. Das Herzstück einer Spallationsquelle ist deshalb der Target-Moderator-Reflektor-Komplex, der im Abschirmungsblock der Targetstation eingebettet ist. Moderatoren (leichtes oder schweres Wasser) bremsen die schnellen Spallationsneutronen auf thermische Energien ab und machen sie so für den Anwender brauchbar. Die beiden anderen großen Baueinheiten bei einer kurzgepulsten Spallationsquelle sind der Linearbeschleuniger und ein Ring zur Pulskompression, der entweder ein Speicherring oder ein Synchrotron ist.

Spallationsquelle: eine Alternative zum FRM II?

Als vor etwa 10 Jahren die Pläne für einen Forschungsreaktor in Garching der Öffentlichkeit bekannt wurden, ging man davon aus, dass der Bedarf an Neutronen für die Forschung enorm hoch ist und auch bleiben wird. So schien es logisch, dass man sich auf eine im wesentlichen ausgereifte Technik, nämlich einen Atomreaktor, festlegte. Denn dies versprach eine relativ schnelle Fertigstellung in der zweiten Hälfte der 90er Jahre und relativ geringe Kosten von damals abgeschätzten 350 Millionen Mark. Die Realisierungszeit einer Spallationsquelle wurde dagegen als relativ lang eingeschätzt, da diese Technik als noch nicht ausgereift galt, so dass noch gewisse Entwicklungsarbeiten zu leisten waren. Außerdem wurden die Kosten als unsicher und in der Höhe von 1 Milliarde Mark und mehr eingeschätzt. Schließlich war das nationale Projekt einer Spallationsquelle in den 80er Jahren aus Kostengründen (1,4 Milliarden Mark) und wegen Zweifeln an der technischen Realisierbarkeit eingestellt worden.

Die damalige Entscheidungsgrundlage gilt heute nicht mehr. Inzwischen scheint der Bedarf an Neutronen doch nicht so enorm zu sein, da etwa 30  % der Kapazitäten des Grenobler Reaktors brach liegen. Und auch vom französischen Reaktor Orphee ist bekannt, dass er nicht mehr ausgelastet wird. Die Realisierung des FRM II lässt zudem auf sich warten. Die Betriebsgenehmigung liegt heute noch nicht vor, und die geplante Inbetriebnahme in 2001 ist auch nicht gesichert. Die Kosten für den neuen Reaktor sind enorm gestiegen und sind heute realistischerweise bei 1 Mrd. DM angesiedelt. Dagegen spricht man von einem Preisverfall für Spallationsquellen. Denn im Gegensatz zu Reaktoren war der Fortschritt bei den Beschleunigern in den letzten Jahren groß.

Bereits 1991, zu einem Zeitpunkt, als der Sicherheitsbericht für den FRM II noch lange nicht in Sicht war, erstellten Naturwissenschaftler des Physik-Departments der Technischen Universität München eine Denkschrift, die zu einer konstruktiven Diskussion über Forschungsreaktoren beitragen sollte. Sie untersuchten einerseits das Konzept des geplanten Münchner Reaktors FRM II und andererseits Spallationsquellen als Alternative zu Forschungsreaktoren. Das Ergebnis der Untersuchung lässt sich folgendermaßen kurz zusammenfassen:

Spallationsquellen sind Forschungsreaktoren unter den Gesichtspunkten Sicherheit, Abfallentsorgung und Verfügbarkeit überlegen. Ihr Betrieb ist aus ökologischer Sicht dem eines Reaktors vorzuziehen. Für den Experimentator ist die Zeitstruktur des Neutronenstrahls ein weiterer Vorteil, der sowohl für die konventionelle Neutronenforschung, als auch im Hinblick auf völlig neue Anwendungen und Experimente (z.B. Myonen) nicht zu unterschätzen ist. Lediglich die höheren Kosten und der Energieverbrauch von Spallationsquellen sprechen gegen diese, wobei jedoch zu bedenken ist, dass es bisher keine echten Vergleichsrechnungen für Reaktoren und Spallationsquellen gibt, die den unterschiedlichen Qualitäten beider Systeme wirklich gerecht werden. Angesichts der Probleme, die beim Bau und Betrieb von Kernreaktoren auftreten, ist es unsinnig, weiterhin auf diese als Neutronenquelle zu setzen.

Die Denkschrift überraschte, da eine derartige Diskussion bis dahin nicht öffentlich geführt worden war, und löste gleichzeitig heftige Kritik aus. Von den Kritikern wurde hervorgehoben, dass die Zeitstruktur einer gepulsten Quelle, nämlich einer Spallationsquelle, für viele Arbeiten unerheblich sei und bei Fachwissenschaftlern der Konsens bestehe, dass beide Neutronenquellen ihre Bedeutung haben und sich komplementär ergänzen. Für die ferne Zukunft werde dennoch über den Bau einer starken (quasi-)kontinuierlichen Spallationsquelle nachgedacht. Eine solche Quelle wäre dann tatsächlich konkurrenzfähig und nicht komplementär zu einem Reaktor. Allerdings sei die Realisierung eines solchen Projekts aus finanziellen Gründen und wegen noch fehlender Technologie nicht in Sicht. Darüber hinaus sei die Verfügbarkeit von bestehenden Spallationsquellen (ISIS, LANSCE) nur etwa halb so groß wie bei Reaktoren und die zeitlich gemittelte Neutronenintensität völlig unzureichend.

Als Erfolg ist zu werten, dass aufgrund der Denkschrift 1993 im Bayerischen Landtag eine Anhörung zum geplanten Garchinger Reaktor stattfand, die sich auch mit den technischen Alternativen, also Spallationsquellen, auseinander setzte, zur wesentlichen Klärung der Argumente beitrug und zu überraschenden Ergebnissen führte. Es wurde festgestellt, dass es nicht darauf ankommt, auf welche Weise Neutronenstrahlen erzeugt werden. Das Wichtige sind die Neutronen, die herauskommen. Spallationsquellen kann man so bauen, dass sie entweder einen gepulsten oder einen kontinuierlichen Neutronenstrahl liefern. Gepulste Spallationsquellen leisten in einigen Bereichen mehr als Reaktoren, in anderen Bereichen Vergleichbares und wiederum in anderen Bereichen weniger. Kontinuierliche Spallationsquellen leisten dasselbe wie Reaktoren. Bei der Spallationsquelle hat man eine zusätzliche Option durch die Erzeugung von Ionen oder weiterer Kernbauteilchen. Die Innovation liegt also nicht in der Technik, sondern in der Anwendung der Quelle. Auf niedrigem Niveau sind Reaktor und gepulste Spallationsquelle eher komplementär. Eine starke, gepulste Spallationsquelle, die das gesamte Anwendungsgebiet abdecken kann, ist ein interessantes Instrument und würde das Niveau der besten Reaktoren überbieten. Ein solches Projekt, das den Fluss am Grenobler Reaktor (ILL) deutlich übertreffen würde, würde wissenschaftlich und technisch in die Zukunft führen, es würde allerdings den nationalen Rahmen sprengen.

Reaktoren bedienen sich konventioneller Komponenten. Auf dem Gebiet der Entwicklung von Spallationsquellen sind bei vielen Komponenten Innovation und Hochtechnologie erforderlich. Die Entwicklungszeit ist dementsprechend länger.

Derzeit ist die Verfügbarkeit von Spallationsquellen noch geringer als von Reaktoren. Fällt eine der vielen Komponenten aus, so läuft die Anlage nicht, wobei die Abschaltung völlig risikolos ist.

Die Menge des hochradioaktiven Materials, das im laufenden Betrieb anfällt (FRM II: 5 Kompaktkerne/Jahr; Spallation: 1 Target/Jahr), ist bei der Spallation geringer, der Anfall an mittelradioaktivem Material jedoch höher, wenn die Spallationsquelle rückgebaut werden soll.

Der Energieverbrauch pro nutzbarem Neutron ist bei beiden Quellen etwa gleich, wenn man den vor- und nachgelagerten Brennstoffpfad eines Reaktors mit einbezieht.

Auch die radioaktiven Abfallströme des Brennstoffpfades dürfen nicht unberücksichtigt bleiben.

Kontinuierliche Spallationsquelle SINQ

In der Schweiz am Paul Scherrer Institut wurde inzwischen im Januar 1997 die kontinuierliche Spallationsquelle SINQ in Betrieb genommen und der nationalen und internationalen Forschergemeinschaft zur Verfügung gestellt. Zu dieser Zeit war der geplante FRM II nur eine Baugrube. Bei der Errichtung der SINQ konnte man auf Installationen, Gebäude und Infrastruktur eines vorhandenen Beschleunigers zurückgreifen und nach geeigneten Modifikationen eine Targetstation nachschalten. Im Aufbau (Target/Moderator) ist die Spallationsquelle einem Reaktor sehr ähnlich. Die Quelle liefert den weltweit höchsten kontinuierlichen Fluss an Spallationsneutronen. Es wird mit einer Strahlleistung von etwa einem Megawatt gearbeitet. Der Beschleuniger, ein Zyklotron, liefert einen quasi kontinuierlichen Protonenstrahl, nämlich Protonenpulse mit einer sehr hohen Frequenz. Dadurch werden im Target ebenfalls hochfrequente Neutronenpulse erzeugt, die beim Durchlaufen von schwerem Wasser zu einem Strahl verschmieren. Der erreichte thermische Neutronenfluss ist um einen Faktor 4 niedriger als im geplanten FRM II. Zur Erweiterung des Nutzungspotentials wurde eine kalte Neutronenquelle eingebaut, die den gleichen großen Fluss an kalten Neutronen liefert wie der geplante FRM II. Kalte Neutronen sind für die Materialforschung interessant, weil sie große Objekte durchleuchten können. Die Kosten der Spallationsquelle SINQ werden mit etwa 100 Mio. DM beziffert. Hätte man allerdings den Beschleuniger noch bauen müssen, wären weitere 200 Mio. DM hinzugekommen. Der Stromverbrauch des Beschleunigers beträgt 5 MW, gleichbedeutend mit einer jährlichen Stromrechnung von etwa 6 Mio. DM. Allerdings profitieren davon hauptsächlich andere Projekte, z.B. aus der Teilchenphysik. Das SINQ-Projekt verwendet nur die Protonen, die früher am Ende ihres Weges ungenutzt geblieben waren. Verglichen mit dem Garchinger Reaktor, der 1 Milliarde Mark Baukosten verschlingen wird, ist die SINQ billig.

Europäische Spallationsquelle ESS

Im März 1997 wurde dann die Konzeptstudie einer starken, gepulsten europäischen Spallationsquelle abgeschlossen. Anders als bei bisher gebauten Spallationsquellen, wo ein bereits bestehender Beschleuniger genutzt wurde, soll die ESS auf der grünen Wiese gebaut werden. Mit 5 MW mittlerer Strahlleistung soll die bisher stärkste gepulste Quelle ISIS (160 kW) um mehr als das 30fache übertroffen werden. Da angestrebt ist, Spitzenflüsse zu erhalten, die typischerweise etwa einen Faktor 40 bis 50 über dem kontinuierlichen Wert eines Hochflussreaktors liegen, werden zwei parallel arbeitende Ionenquellen eingesetzt, um die nötigen Stromstärken an Wasserstoffionen erreichen zu können. Außerdem werden ein Linearbeschleuniger und zwei Kompressorringe benötigt. Der 50-Hz-Takt des Beschleunigers soll dann auf zwei Targetstationen im Verhältnis 4:1 aufgeteilt werden. Beim Targetmaterial fiel die Wahl auf Quecksilber. Quecksilber ist eines der schwersten Metalle, hat ein sehr hohes spezifisches Gewicht und einen hohen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen, ist bei Raumtemperatur flüssig und braucht deshalb kein sekundäres Kühlmittel.

Trotz abgeschlossener Studie gibt es noch einige Entwicklungsarbeiten zu bewältigen. Angesichts der großen Erfolge in der Technik supraleitender Beschleuniger der letzten Jahre ist die supraleitende Version des Hochenergieteils des Linearbeschleunigers eine Option, die zu Kosteneinsparungen führt. Auch stehen noch Experimente mit dem Flüssigmetalltarget an.

Das vorgestellte Konzept der ESS ist zwei Reaktoren äquivalent, auch rein äußerlich wegen der beiden Targetstationen. Der ganze Komplex soll einen 700 m langen Linearbeschleuniger, mehrere hundert Meter Strahltransport zu und von den Speicherringen, zwei Targethallen und mehrere externe Neutronenleiterstrecken und Experimentierstationen, Infrastruktur sowie Bürogebäude für tausende von Nutzern pro Jahr enthalten. Die ESS soll den europäischen Forschungsreaktor in Grenoble ablösen. Die Autoren der Studie sind zuversichtlich, diese Spallationsquelle für 2 Milliarden Mark bauen zu können und gehen davon aus, dass die ESS etwa im Jahr 2010 der Wissenschaft zur Verfügung stehen könnte.

Schlussfolgerungen

Während Reaktoren in den letzten Jahren nur einen bescheidenen Zuwachs an Neutronenfluss gebracht haben, war der Fortschritt bei Beschleunigern groß. Jahrelang als zu teuer verschrien, halten Experten Spallationsquellen mittlerweile für nicht kostspieliger als Reaktoren. Starke, gepulste Spallationsquellen können zudem das gesamte Anwendungsgebiet abdecken. Sie sind nicht nur eine Alternative zu Reaktoren, sondern werden diese aufgrund ihrer höheren Leistungsfähigkeit in der Zukunft ablösen. Ein Land wie Deutschland muss bei der Entwicklung von Spallationsquellen-Know How mitwirken, um bei dieser Technologie nicht den Anschluss zu verlieren. Eine Spallationsquelle besitzt keinerlei kritische Anordnung, die bei einem Störfall zu unkontrollierten Reaktionen führen könnte. Ihr radioaktives Inventar ist sehr viel geringer als das eines Reaktors. Turnusmäßige Atommülltransporte entfallen. Und sie kommen in jedem Fall ohne das politisch problematische waffenfähige hochangereicherte Uran aus. Trotz aller Vorbehalte bezüglich jedweder künstlichen Erzeugung von radioaktivem Material ist eine Spallationsquelle einem Atomreaktor mit dem weitaus höheren Risikopotential vorzuziehen.

Karin Wurzbacher
aus unserer Mitgliederzeitschrift Umweltnachrichten Ausgabe: 81/99

Quellen:

M.Bärmann, G.Brink, T.Schwinn, Phys.Dep. TU München, Alternativen zum Forschungsreaktor München II - eine Denkschrift, September 1991

Prof.Dr.D.Dubbers, Phys.E21, TU München, Informationen zur geplanten Garchinger Neutronenquelle FRM-II der Technischen Universität München, Oktober 1991

Dr.H.Boysen, Prof.Dr.F.Frey, Inst.f.Kristallographie u. Mineralogie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Stellungnahme zur Denkschrift "Alternativen zum Forschungsreaktor München II", November 1991

Bayerischer Landtag, 12. Wahlperiode, 29.4.93, Anhörung, Erneuerung der Hochflußneutronenquelle der Technischen Universität München in Garching

Paul Scherrer Institut PSI, Villigen, Schweiz, Pressemappe zur Presseinformation vom 10.1.1997, SINQ: Neutronenquelle für die Forschung

ESS, A Next Generation Neutron Source for Europe, Volume I und II, The European Spallation Source, März 1993

H.Conrad, Es muss nicht immer Spaltung sein, Physik in unserer Zeit, 29. Jahrgang 1998, Nr.2, S.69 - 78