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Neutronen-Forschung Der Schwerkraft auf der Spur

Das Institut Laue-Langevin in Grenoble verfügt über die weltweit intensivste Neutronenquelle für Forschungszwecke. Der Brennstoff für den Reaktor besteht aus waffenfähigem Uran.

31.05.2011 22:01
Christian Meier
Elektronenpaare, die sich in einer supraleitenden Grenzschicht zu einer Wolke verbundenen haben. Foto: EKM/Universität Augsburg

Die Betonkuppel gibt ein ähnliches Raumgefühl wie der Kölner Dom. Peter Geltenbort geht, vorbei an tüftelnden Wissenschaftlern, in die Mitte des riesigen, kreisrunden Gebäudes am Stadtrand von Grenoble. Auf diese Mitte ist jedes der rund 1000 Experimente ausgerichtet, die jährlich am Institut Laue-Langevin (ILL) durchgeführt werden. Geltenbort lehnt sich über ein Geländer, hinter dem ein Betonkrater klafft, aus dem ein Gewirr von Stahlrohren und Kabeln quillt.

„Sechs Meter unter uns befindet sich der Reaktorkern“, sagt der Physiker. Im Moment läuft der Reaktor nicht. Aber wenn er es an 200 Tagen jedes Jahres tut, dann setzt eine nukleare Kettenreaktion in jeder Sekunde eine Unzahl von Milliarden mal Milliarden Neutronen frei. Das ILL, eine von Frankreich, Deutschland und Großbritannien betriebene Forschungseinrichtung, verfügt somit über die weltweit intensivste Neutronenquelle für Forschungszwecke.

Und die wird rege genutzt: Mehr als 2000 Wissenschaftler kommen jedes Jahr an das Ufer der Isère. Die meisten betreiben Grundlagenforschung und haben sich einem strengen Auswahlverfahren unterworfen. Auch die Industrie nutzt den Reaktor. Sie zahlt für die den Zutritt, um etwa Materialforschung zu betreiben.

Was die Forscher lockt, sind die physikalischen Eigenschaften von Neutronen. Die subatomaren Teilchen tragen, anders als Protonen oder Elektronen, keine elektrische Ladung. Daher können sie tief in Materie eindringen. So lässt sich etwa das Innere von kompakten Metallbauteilen durchleuchten, ohne diese zu zerstören.

Mit Neutronen untersucht die Industrie die Spannungen, die in Metallbauteilen, etwa Kurbelwellen, ununterbrochen vorhanden sind, auch wenn die Bauteile nicht in Betrieb sind, also im unbelasteten Zustand. Sie entstehen schon beim Herstellen, beim Walzen oder Schweißen. Vor allem Zugspannungen sind unerwünscht, da von ihnen Risse ausgehen.

Eine zweite Eigenschaft der Neutronen liefert den Schlüssel, um die Spannungen im Material vermessen zu können. Laut Quantenphysik verhalten sich Materieteilchen wie Wellen. Die Materiewellen von Neutronen haben eine äußerst kurze Wellenlänge, etwa so kurz wie der Durchmesser eines Atoms. Sie können daher für eine besonders hochauflösende Art der Mikroskopie genutzt werden.

Zugspannungen erkennen

Aus der Art wie eine Probe Neutronenstrahlen streut, berechnen Forscher, wie groß die Abstände zwischen den Atomen sind. Zugspannungen erkennen sie an relativ großen Atomabständen. Die Ergebnisse nutzt die Industrie, um Herstellungsprozesse so zu optimieren, dass weniger Zugspannungen auftreten und die Bauteile länger halten.

Zwar sind Neutronenstrahlen nicht die einzigen Strahlen, die Aufschlüsse über das Innere von Proben geben können. Aber anders als Röntgen- oder Elektronenstrahlen werden sie auch von leichten Elementen wie etwa Wasserstoff von ihrer Bahn abgelenkt, nicht nur von schweren wie Eisen oder Blei. Das haben Forscher genutzt, um zu beobachten, wie sich Benzin, das viel Wasserstoff enthält, beim Einspritzen im Inneren eines Motorzylinders verteilt.

Auch für Grundlagenforscher bieten Neutronenstrahlen besondere Möglichkeiten. Sie erhoffen sich Hinweise für die Lösung von großen Rätseln der Physik. Sie haben die Teilchen entdeckt, um die schwächste Kraft im Universum, die Schwerkraft, zu untersuchen. Weil Neutronen elektrisch neutral sind, geht der Einfluss, den die Gravitation auf sie ausübt nicht in der viel stärkeren elektromagnetischen Kraftwirkung unter.

Neutronen fallen anders

Eine erstaunliche Beobachtung machten Forscher der TU München und der Uni Wien, als sie am ILL untersuchten, wie ein Neutron unter dem Einfluss der Erd-Schwerkraft fällt: Es fällt nicht wie ein Stein, sondern springt ohne Übergang von einer Höhe zur nächsten. Diese Quantensprünge wollen Forscher nun nutzen, um die Stärke der Gravitation äußerst genau zu messen.

Weil sich Frequenzen besonders präzise messen lassen, bauten sie jüngst eine Vorrichtung, welche die Neutronen durch mechanische Schwingungen von einer Höhenstufe zur nächsten hebt. „Aus den Schwingungsfrequenzen, die solche Sprünge auslösen, können wir die Übergangsenergien und damit die Gravitationskraft sehr genau bestimmen“, sagt Hartmut Abele von der Uni Wien.

Das Interessante daran: Physiker vermuten, dass es zwischen sich anziehenden Körpern feine Abweichungen vom Newton’schen Gravitationsgesetz geben könnte. Dieses Gesetz beschreibt zwar die Gravitationskraft zwischen Erde und Mond sehr genau. Doch bei kleinen Abständen zwischen kleinen Teilchen gibt das Gesetz die resultierende Gravitationskraft nicht mehr korrekt an, so die Annahme. „Mit unserer Vorrichtung bestimmen wir die Gravitationskraft für Abstände von wenigen Tausendstel Millimetern und könnten daher die vermuteten Abweichungen messen“, sagt Abele.

Diese könnten von einem bislang nur hypothetischen Teilchen herrühren, dem Axion. Manche Physiker glauben, die so genannte Dunkle Materie, ein unsichtbarer Stoff, der fünfmal so viel Masse hat wie alle Sterne, Planeten oder Gaswolken im Universum zusammengenommen, könnte aus Axionen bestehen. Würde der Nachweis dieser Teilchen gelingen, wäre man der Lösung des Rätsels um die Dunkle Materie einen großen Schritt näher. „Mit einer weiterentwickelten Version unseres Experimentes könnten wir das Axion nachweisen“, sagt Abele.

Bei Forschern ist die Neutronenquelle in Grenoble wegen ihrer hohen Intensität beliebt. Diese hängt derzeit noch von der Verwendung eines umstrittenen Brennstoffes her, dem so genannten hochangereicherten Uran (HEU ? highly enriched uranium). Das in Grenoble und in rund 75 weiteren Forschungs-Neutronenquellen benutzte HEU besteht zu mehr als 90 Prozent aus dem spaltbaren Uran-Isotop U-235, dessen Anteil in natürlichem Uran nur rund ein Prozent beträgt. Wegen dieses Reichtums an Spaltmaterial lassen sich aus HEU prinzipiell Atomwaffen bauen.

Viele Forschungsreaktoren, auch der am ILL, beziehen ihr HEU aus den USA. Allerdings geben die Amerikaner den Brennstoff nur unter der Bedingung heraus, dass die Anlagen mittelfristig auf niedrig angereichertes Uran, kurz LEU, umgestellt werden. LEU enthält weniger als 20 Prozent U-235 und kann nicht für Atomwaffen verwendet werden.

Das ILL arbeitet derzeit an einer solchen Umstellung. Diese ist allerdings technisch schwierig, da die extrem hohe Neutronenintensität nur aufrecht erhalten werden kann, wenn das Uran im LEU stark verdichtet wird. Zwar klappt die nötige Verdichtung im Labor. Doch in der Praxis gibt es noch Probleme: Spaltprodukt-Gase lassen die LEU-Brennelemente anschwellen. Dennoch rechnen Experten wie Wolfgang Liebert von der Technischen Universität Darmstadt damit, dass das ILL in weniger als fünf Jahren auf LEU umgestellt werden kann.

„Wenn das selbst für die weltweit intensivste Neutronenquelle gelingt, dann ist das ein Vorbild für die restlichen mit HEU betriebenen Anlagen, die sich teilweise noch gegen eine solche Umstellung sträuben“, sagt Liebert, der HEU gerne aus den Forschungsreaktoren gebannt sehen würde. Der Physiker meint damit auch die intensivste Neutronenquelle Deutschlands, den Forschungsreaktor München II in Garching.

Akzeptierter Verlust

Die Garchinger behaupten auf ihrer Website, dass bei ihnen eine solche Umstellung ohne Baumaßnahmen, die mehr als 300 Millionen Euro kosten würden, aus physikalischen Gründen unmöglich sei. Doch Liebert hält das aufgrund von Berechnungen an der TU Darmstadt für unrichtig. „Selbst in Grenoble wird es ohne Modifikationen an der Anlage möglich sein, LEU einzuführen“, sagt Liebert. Dies hätten Wissenschaftler des ILL vor kurzem mitgeteilt. Sie akzeptieren dabei knapp 10 Prozent Verlust an Neutronenintensität.

„Die wissenschaftlich Verantwortlichen am Münchner Forschungsreaktor setzen sich bewusst über globale Regelsetzungen hinweg“, kritisiert Liebert. Er meint damit das Bestreben, die Verbreitung von waffenfähigem Uran in der Welt zu minimieren. Wahrscheinlich fürchteten die Münchner um ihre Spitzenstellung, was das Fluss-Leistungs-Verhältnis ihres Reaktors angehe. „Doch um ein paar Prozent mehr oder weniger Neutronenintensität geht es in der Forschung längst nicht mehr“, sagt Liebert. Verbesserte Experimentiereinrichtungen nutzten die Neutronenintensität um ein Vielfaches effizienter.

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