Wie weckt man einen Riesen am besten nach einem langen Nickerchen? „Sehr vorsichtig und mit viel Planung“, sagte ein grinsender John Galambos. Er war bis zu seiner Pensionierung im Juli nach über 40 Jahren im Labor Projektleiter des Proton Power Upgrade-Projekts (PPU) am Oak Ridge National Laboratory. „Es war eine Spitzenleistung, die der Wissenschaft und der Technologieentwicklung in den kommenden Jahrzehnten zugute kommen wird.“
Der „Riesen“, auf den sich Galambos bezieht, ist die Spallation Neutron Source (SNS), die landesweit führende Quelle gepulster Neutronenstrahlen für Forschungszwecke, die vor kurzem nach neunmonatigen Modernisierungsarbeiten wieder in Betrieb genommen wurde. Die geplante längere Unterbrechung ermöglichte die Installation und Erprobung von sieben zusätzlichen kryogenen Modulen und deren 28 zusätzlichen Antriebseinheiten sowie der unterstützenden Systeme – allesamt darauf ausgelegt, die Leistungsfähigkeit des 330 Meter langen Linearbeschleunigerkomplexes (Linearbeschleuniger) zu erhöhen.
Der verstärkte Linearbeschleuniger wird die First Target Station am SNS zunächst mit bis zu 40 % mehr Leistung als die ursprünglichen 1,4 Megawatt versorgen, also bis zu 2,0 Megawatt. Mehr Leistung wird mehr Neutronen produzieren und das Tempo wissenschaftlicher Entdeckungen in einem breiten Spektrum von Materialien und Technologien steigern. Um die erhöhte Leistung zu bewältigen, wurden auch der Akkumulatorring und das Target am SNS-Komplex mit neuer Elektronik und unterstützenden Systemen aufgerüstet.
Schließlich wird der Linearbeschleuniger auch die zweite Zielstation (Second Target Station, STS) des SNS mit Strom versorgen, um die hellsten „kalten“ Neutronen der Welt zu erzeugen und Studien kleinerer und komplexerer Materialien zu ermöglichen.
Neutronen werden in der Forschung häufig eingesetzt, beispielsweise bei der Entwicklung neuer Impfstoffe, der Analyse moderner Batterien und dem Betrieb nationaler Sicherheitssysteme. Die Neutronenstreuung am Hochfluss-Isotopenreaktor (HFIR) des SNS und ORNL ist eine wichtige Technik zur Förderung der Materialforschung, um die US-Wirtschaft zu unterstützen und Lösungen für Herausforderungen in den Bereichen Energie, Transport, Biotechnologie, Quanten und anderen Forschungsbereichen zu bieten.
Hindernisse überwinden
Trotz der globalen Pandemie, Lieferkettenproblemen und anderen beispiellosen Herausforderungen gelang es dem ORNL-Team, das PPU-Projekt vorzeitig und unter Budget abzuschließen.
„Das PPU-Projekt hat alle Erwartungen übertroffen, denn es wurde trotz enormer technologischer, logistischer und sogar globaler gesundheitlicher Herausforderungen fast drei Jahre früher fertig gestellt als geplant“, sagte Jens Dilling, stellvertretender Laborleiter der Neutron Science Directorate. „Dank der enormen Anstrengungen der ORNL-Mitarbeiter und unserer Kooperationspartner am Jefferson Lab und am Fermi National Laboratory wird das SNS weiterhin als weltweit führendes Zentrum für gepulste Neutronenforschung fungieren.“
Die Zukunft sieht rosiger aus
Das STS wird die weltweit höchste Neutronen-Spitzenhelligkeit erzeugen, die für die Untersuchung weicher Materie wie Polymere und biologischer Materialien sowie komplexer technischer Materialien geeignet ist. Das STS wird bis zu 24 neue Instrumentenstationen beherbergen – zunächst acht – für beispiellose Experimente mit komplexer Materie.
Mark Champion ist der neue Projektleiter von PPU, nachdem er seit der Gründung von PPU im Jahr 2016 als Projektmanager tätig war. „Wir möchten dem Projektteam für all seine harte Arbeit und sein Engagement danken“, sagte er. „Aber wir haben nicht vor, uns auf unseren Lorbeeren auszuruhen. Es ist noch mehr ‚Benzin im Tank‘ und wir müssen die Technologie weiter vorantreiben, um in Zukunft noch mehr und bessere Wissenschaft zu ermöglichen.“
Jon Taylor, Abteilungsleiter der Abteilung Neutronenstreuung des ORNL, sagte: „Ich weiß, dass unsere Neutronenwissenschaftler und die externen Forscher, die am SNS arbeiten, bereits von der Rekordleistung von 1,7 Megawatt profitieren, die das PPU-Projekt im Jahr 2023 ermöglicht. Sie haben gesehen, welche Verbesserungen die zusätzliche Beschleunigerleistung für ihre Experimente mit sich bringt, und sie wollen unbedingt die vollen 2,0 Megawatt, die wir bereitstellen werden.“
Mit 267.000 Kilometern pro Sekunde unterwegs
Der Linearbeschleuniger nutzt elektromagnetische Felder, um Protonen zu lenken und auf etwa 90 % der Lichtgeschwindigkeit oder etwa 268.000 Kilometer pro Sekunde zu beschleunigen. Diese Protonen passieren große Lenkmagnete, die sie in einen Sammelring mit einem Umfang von 250 Metern leiten.
Dort werden sie gebündelt und 60 Mal pro Sekunde auf ein mit 20 Tonnen flüssigem Quecksilber gefülltes Ziel gerichtet. Dort schlagen die Protonen Neutronen aus den Quecksilberatomen heraus. Schließlich werden diese „freien“ Neutronen über Strahllinien zu Instrumenten geleitet, an denen die Wissenschaftler ihre Experimente durchführen.
Das erste Drittel des Linearbeschleunigers wird bei Zimmertemperatur betrieben, während der Rest 81 supraleitende Hohlräume in Kryomodulen nutzt, die mit flüssigem Helium auf nur zwei Grad über dem absoluten Nullpunkt (minus 460 Grad Fahrenheit) gekühlt werden.
Ein wichtiger Aspekt des Projekts war der Bau einer gekrümmten Tunnelverlängerung, die vom bestehenden Beschleuniger zum Standort der geplanten zweiten Zielstation führt. Die Arbeiter fügten einen etwa 280 Quadratmeter großen Betontunnel hinzu, der von einer 5,5 Meter dicken Wand aus über 7.000 Betonblöcken abgeschlossen wurde, um während des normalen Betriebs der SNS-Strahllinie Strahlenschutz zu bieten. Zu den weiteren Bauarbeiten im Zusammenhang mit der Tunnelverlängerung gehörten die Installation der zugehörigen Strukturen, der Überdachung, der Geomembranauskleidung, der Tunnelabdichtung sowie der Elektrik, der Feueralarm- und Belüftungssysteme und -steuerungen.
Die lange Installationsunterbrechung bei SNS endete im April 2024. Im darauffolgenden Monat wurde eine externe Überprüfung der Beschleunigerbereitschaft durchgeführt, und Anfang Juni wurde die Genehmigung zur Inbetriebnahme des Strahls und zur Wiederaufnahme des Routinebetriebs erteilt. Die Inbetriebnahme des Strahls wurde dann in weniger als 30 Tagen abgeschlossen.
„Der Plan zur Leistungssteigerung nach der PPU sieht eine schrittweise Steigerung der Strahlleistung und der jährlichen Neutronenproduktionsstunden auf 2,0 MW bzw. 5.000 Stunden im Geschäftsjahr 2027 vor. Da unser schlafender Riese jedoch bereits hellwach ist und hart arbeitet, ist es möglicherweise möglich, die Strahlleistung früher zu erhöhen, was der wissenschaftlichen Produktivität der Einrichtung zugute käme“, sagte Champion.
Das Projekt bereitet einen Abschlussbericht, gewonnene Erkenntnisse und weitere erforderliche Unterlagen vor, um eine Überprüfung des Projektabschlusses durch das US-Energieministerium Anfang 2025 zu unterstützen.