Pioniergeist und Improvisation

Der Reaktor in Garching war ein "Schwimmbad-Reaktor", ein gängiger Typ für Forschungsreaktoren mit mäßiger Leistung, bei dem sich die Brennelemente aus mittel- bis hochangereichertem Uran ohne Druckbehälter in einem großen Wasserbecken befinden. Das Wasser dient sowohl als Kühlmittel wie als Moderator – es bremst also die bei der Kernspaltung entstehenden Neutronen so weit ab, dass sie weitere Urankerne spalten können.

Kurz nach dem FRM in Garching nahmen auch weitere Forschungsreaktoren in Deutschland den Betrieb auf. . Damit war der Wettlauf um den ersten Reaktor auf deutschem Boden entschieden. Der Forschungsreaktor Rossendorf in der Nähe von Dresden – damals wurde die DDR im Westen noch SBZ (Sowjetisch Besetzte Zone) genannt – erreichte am 16. Dezember die erste Kritikalität. Im Januar 1958 begann dann in Frankfurt am Main der Betrieb des FRF-1 (Forschungsreaktors Frankfurt). Im Juli 1958 folgte der BER (Berliner Experimentier-Reaktor) am Hahn-Meitner-Insitut für Kernforschung in Berlin.

Bei Kernkraftwerken geht es darum, durch die Kernspaltung möglichst viel Wärme zu erzeugen und diese in elektrischen Strom zu verwandeln. Forschungsreaktoren hingegen laufen mit sehr viel weniger Leistung – und erzeugen auch dementsprechend weniger radioaktiven Abfall. Hier geht es darum, sich die besonderen Eigenschaften der bei der Kernspaltung freigesetzten Neutronen nutzbar zu machen, die Materie durchleuchten können. Dies ermöglicht Einblicke, die andere Strahlungsarten wie Röntgenstrahlung nicht liefern können. Dazu leitet man etwa die Neutronen vom Ort ihrer Entstehung im Reaktorkern mit Hilfe von speziellen Strahlrohren zu den Experimenten.

Sowohl bei der Experimentiertechnik als auch bei der Neutronenoptik galt es damals, neue Verfahren zu erproben. Mit der "Rohrpost" etwa konnte man die Probenbehälter mit Hilfe von Stickstoff bis kurz vor den Reaktorkern fahren. Norbert Waasmaier, ab 1961 am Atom-Ei tätig und langjähriger Leiter des Technischen Dienstes, erinnert sich auch an besondere Tricks der Experimentierkunst: "Wir haben diverse Methoden erprobt, neben den Strahlrohren auch einige Alternativen wie das Klappzellen-Verfahren, das Drehteller-Verfahren oder das Angelschnur-Verfahren."

Laden... © TU München (Ausschnitt) Alter und neuer Forschungsreaktor

Beim ersten Verfahren brachte man während der Ruhephasen des Reaktors aus der Entfernung zu öffnende und schließende Zellen in der Nähe des Reaktorkerns unter, in denen die Proben angeordnet waren. Ähnlich verhielt es sich bei den Drehtellern, auf denen sich 25 Proben anbringen ließen. Das Angelschnur-Verfahren ist weitgehend wörtlich zu nehmen. "Dieses lieferte mit die besten Ergebnisse", sagt Waasmaier. Man konnte bei laufendem Betrieb arbeiten und musste nach der Bestrahlung nur rund eine Stunde warten, bis die Radioaktivität weit genug abgeklungen war, um die Proben im Labor vermessen zu können.

Unersetzliche Einblicke in die Materie

Mit Hilfe der Neutronenstrahlung lassen sich eine Vielzahl von Experimenten durchführen, die sich auf andere Weise gar nicht oder nur sehr schlecht machen lassen. Die Anwendungsbreite ist in den letzten Jahrzehnten immer weiter gewachsen. Fundamentale kernphysikalische Prozesse gehören ebenso dazu wie die Analyse von Materialien. Neutronen liefern etwa Einblicke in Hochtemperaturlegierungen für Turbinenschaufeln. Ob neue Turbinen den enormen Belastungen im Betrieb widerstehen, ob Zahnräder und Kurbelwellen mikroskopische Risse aufweisen, wie sich neuartige Batterietypen optimieren lassen – für all diese Probleme gibt es kein besseres Werkzeug als Neutronenstrahlung. Die Industrie ist an vielen dieser Experimente beteiligt oder gibt sie in Auftrag.

Mit Neutronen lassen sich aber auch historische Kunstwerke oder paläontologische Objekte zerstörungsfrei untersuchen. Neutronen geben Aufschluss über magnetische Materialien für neue Datenspeicher, über Supraleiter oder über die Struktur von Proteinen. An Forschungsreaktoren lassen sich zudem spezielle Radionuklide für die Nuklearmedizin gewinnen, mit denen sich Tumore im Körper identifizieren lassen.

Interessanterweise hat die heutige Neutronenforschung nur noch sehr wenig mit der Kernenergie zu tun. Stattdessen liefert sie wichtige Erkenntnisse über Materialien für regenerative Energien, etwa für Batterien oder Solarzellen. In Anbetracht dieser Bedeutung für die moderne Forschung hat das im Jahr 2000 stillgelegte Atom-Ei einen Nachfolger gefunden: die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz, auch FRM II (Forschungsreaktor München II) genannt.

Dieser hat eine deutlich höhere Leistung als sein Vorgänger. Das Atom-Ei war mit einem Megawatt thermischer Leistung gestartet und hatte nach diversen Verbesserungen schließlich vier Megawatt erreicht. Der seit 2005 im Nutzerbetrieb befindliche FRM II ist auf 20 Megawatt ausgelegt. Er gehört zu den effektivsten und modernsten Neutronenquellen der Welt.

Das verdankt er nicht zuletzt den Vorarbeiten am Atom-Ei. Denn die Kunst bei Neutronenquellen besteht nicht zuletzt darin, möglichst viele der Neutronen vom Reaktorkern zum Experiment zu bringen. Denn die widerspenstigen Neutronen lassen sich nicht besonders leicht lenken. Dank sukzessiver Verbesserungen ist es aber gelungen, bei gleicher Reaktorleistung immer mehr Neutronen an ihr Ziel zu bringen. "Seit den 1960er Jahren haben wir bei gleicher Primärintensität alle zehn Jahre eine Größenordnung mehr Neutronen am Detektor", sagt Winfried Petry, seit 2001 wissenschaftlicher Direktor am FRM II.

Um eine möglichst einheitliche Neutronenstrahlung zu erhalten, sollte die Quelle – also der Reaktorkern – möglichst klein sein. Der FRM II arbeitet deshalb mit hochangereichertem Uran. Dieses Material ist im Prinzip waffentauglich. Zwar ist der Bau einer Atombombe eine diffizile Angelegenheit. Doch um Proliferationsrisiken auszuschließen, soll die Anlage auf deutlich niedriger angereichtertes Uran umgestellt werden. "Wir arbeiten an Konzepten, um den Reaktorkern noch dichter packen zu können, damit wir auch mit niedriger angereichertem Uran dieselbe hervorragende Neutronenstrahlqualität erhalten", erklärt Petry. Damit wollen die Garchinger Wissenschaftler auch in Zukunft ihre Wettbewerbsfähigkeit mit anderen Forschungsanlagen weltweit erhalten.

Das Atom-Ei befindet sich derzeit in der Vorbereitung zum Rückbau. Genau genommen werden nur die Innereien entsorgt, die Hülle bleibt als Industriedenkmal erhalten. Selbst wenn Forschungsreaktoren wegen ihrer weit geringeren Leistung sehr viel weniger stark radioaktiv strahlen als Kernkraftwerke, müssen sie dennoch einige Jahre abklingen, bevor sie zurückgebaut werden können. Da von den jüngeren Mitarbeitern niemand weiß, wie einige der Installationen vorgenommen wurden, sind sie immer noch dankbar für die Erfahrungen der mittlerweile pensionierten älteren Kollegen. Norbert Waasmaier schaut noch regelmäßig am Reaktor vorbei. Die Faszination an der Atomtechnik und der Stolz auf die wissenschaftlichen Leistungen, die Garching auf die Landkarte der internationalen Forschung gebracht haben, sind geblieben.

Die Sache hat aber auch eine Kehrseite: Viele große Kernkraftwerksbetreiber wissen heute nicht, wie sie das implizite Wissen der Techniker und die praktischen Erfahrungen, die nicht unbedingt in der Betriebsanleitung stehen, für die Zukunft konservieren können. Der Rückbau großer Kernkraftwerke findet Jahrzehnte nach ihrem Betrieb statt und ist um ein Vielfaches aufwändiger als der von Forschungsreaktoren.