J-PARC – das größte Mikroskop der Welt

Die Vögel zwitschern. Leise haucht eine Brise den Geruch des Pazifik über ein Kiefernwäldchen im japanischen Städtchen Tokaimura. Mitten durch das Idyll ist eine etwa acht Meter breite Schneise bis zum Strand geschlagen, ein Sandweg. „Dort ziehen wir mit der shintoistischen Prozession zum Meer und bitten die Götter um Sicherheit und Gelingen für unser Projekt“, sagt Shoji Nagamiya. Mögen die Götter die Gebete erhören: Unweit ragen die Kuppeln zweier kleiner atomarer Versuchreaktoren von Japans Atomenergiebehörde JAEA aus dem Wald. In Sichtweite von Nagamiyas Standort liegt eine Wiederaufbereitungsanlage, in der 1999 zwei Arbeiter die siebenfache der erlaubten Menge an angereichertem Uranoxid in einen Tank füllten und dadurch einen der schwersten Atomunfälle Japans verursachten. Und um den Herrn herum graben Bagger für 1,3 Milliarden Euro eine der größten Protonenbeschleuniger-Anlagen der Welt in den Wald, den J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex).

Im J-Parc sollen ähnlich wie im ebenfalls im Bau befindlichen amerikanischen Beschleunigerprojekt SNS selbst größere Maschinen mit einem Neutronenstrahl durchleuchtet werden können. Zusätzlich schießt die Anlage einen Neutrino-Strahl durch die Erdkruste für Versuche im 295 Kilometer entfernten Kamiokande, wo er auf einen Wassertank trifft. Damit wollen die Forscher herausfinden, ob Neutrinos Masse haben oder nicht. Und als Sahnehäubchen auf dem Traum der Kern- und Teilchenforscher gibt es die „Hadron-Versuchsanlage“, in der Kaonenstrahlen mit der weltweit höchsten Intensität eingespeist werden. Kaonen (oder K-Mesonen) sind Elementarteilchen aus der Gruppe der Mesonen, deren Masse zwischen der von Leptonen wie den Elektronen und den schwereren Baryonen wie Protonen oder Neutronen liegt. Als Nebenprodukt wird zudem geprüft, inwieweit sich Neutronenbeschuss eignet, langlebigen radioaktiven Müll in solchen mit kürzerer Halbwertzeit umzuwandeln. Damit könnte das Problem der Endlagerung vereinfacht werden. Die ersten Versuche, den Protonenstrahl zu beschleunigen, sollen dieses Jahr beginnen. Der Start der eigentlichen Operation ist für 2008 geplant. Der Aufwand ist gigantisch. Den Anfang der Anlage bildet die bereits fertiggestellte 330 Meter lange Linearbeschleunigerhalle, die einen Linac als Injektor für den ersten Synchrotronring enthält. Das erste, kleine Synchrotron mit einer Strahlleistung von einem Megawatt und einer Repetitionsrate von 25 Hertz beschleunigt die Protonen auf eine Energiestufe von 3 GeV (Giga-Elektronenvolt). Von dort wird ein Teil der Teilchen in die sechs Stockwerke hohe Halle für Material- und Life-Science-Versuche geschossen. Im Spallationstarget treffen die Protonen auf Atomkerne und schießen Neutronen aus ihnen heraus, die auf 23 Versuchsstationen verteilt werden. Außerdem wird der Ring das zweite Synchrotron mit einem Durchmesser von 500 Metern füllen, das einen nun dünneren Teilchenstrom auf eine weit höhere Energiestufe von 50 GeV beschleunigen und so Neutrinos für den Fernversuch und das Kaonenexperiment produzieren soll.

Die Japaner verbuchen die teure Investition als Wirtschaftsförderung. Laut Regierungsstudien wird die „Neutronenindustrie“ eine 2,4-fache Rendite der Investitionen abwerfen, sagt Yasuhiko Fujii, stellvertretender Generaldirektor des Quantum Beams Direktorats der JAEA – in vielleicht 20 Jahren. „Durch die gute Nutzung von Neutronen wird das nationale Niveau von Wissenschaft und Technik gefördert“, so Fujii. Daher entstehen in vielen Ländern wie in China, Indonesien und Thailand Versuchsanlagen. Die Trends sollen natürlich Japans Großkonzerne und Grundlagenforscher setzen.

Von der Neutronendurchleuchtung versprechen sich Wissenschaftler erhellende Erkenntnisse in einer breiten Reihe von Gebieten. Denn anders als Röntgenstrahlen markieren Neutronen auch die Verteilung und Bewegung von Wasserstoff. Dies erlaubt die Darstellung feiner Leitungen, Adern, Wurzeln, die Verteilung von Dünger bei Pflanzen oder von Gasen und Gemischen in laufenden Motoren oder des Flusses von Wasserstoff in Brennstoffzellen.

Doch stellte die Erzeugung entsprechender gebündelter Strahlen die Forscher bisher vor Probleme. Um die Neutronen zu erzeugen, gibt es grundsätzlich zwei Methoden: 1. Atomkraftwerke: Doch die produzieren Neutronen als stetigen Fluss. Bessere Bilder erzeugen jedoch kurze Neutronenstöße (wie einem Stroboskopblitz). Daher müssen die Forscher den Neutronenfluss künstlich kurz unterbrechen, wodurch die Intensität des Strahls und damit die Brillanz des Bildes abnimmt. 2. Beschleuniger: Sie liefern die Stöße, doch bisher mit einer geringen Intensität. Die Analyse größerer Objekte war daher bisher nicht möglich, die Brillanz der Bilder gering. „J-PARC erzeugt Teilchenströme von 10 Ampere, das ist vergleichbar mit dem Strom einer Haussteckdose, allerdings bei über zehn millionenfacher Spannung“, sagt Alexander Schnase, Research Fellow der Hochfrequenzgruppe des ersten Rings und zuvor am Forschungszentrum Jülich beschäftigt. Dort war er Gruppenleiter der Hochfrequenzgruppe des Protonenbeschleunigers COSY. Ein ähnliches Niveau erreicht der Beschleuniger SNS in den USA.

Das Projekt ist kein Spaziergang. J-PARC ist zwar schon zu 70 Prozent fertiggestellt, aber es gibt Verzögerungen, gesteht J-PARC-Chef Nagamiya. Zum einen streckte die Regierung das J-PARC-Budget um ein. Zum anderen werden am J-PARC neue Technologien umgesetzt. „Sie funktionieren zwar, aber es mangelt noch etwas an der Zuverlässigkeit“, sagt Forscher Schnase. Nur bei einem Teil der Subsysteme handelt es sich um Standardtechnik. Doch die Beschleunigeraktivitäten nutzen neue Materialien, die eine weit kompaktere Bauweise ermöglichen. Bisher wurde für die Kavitäten Ferrit, ein weitverbreiteter weichmagnetischer Werkstoff. Im J-Parc nutzen die Japaner "Finemet" von Hitachi Metals, ein nanokristallines Material aus Eisen, Silizium, Bor, Niob und Kupfer, dass noch bessere magnetische Eigenschaften aufweist. „Es treten noch kleine Fehler in der Produktion auf. Wir haben bis jetzt noch nicht herausgefunden, wie wir sie vor dem Einbau entdecken können“, sagt Schnase. Bisher werden die Materialdefekte durch Langzeittests unter realistischen Bedingungen – 300 Stunden pro Beschleunigerkavität – identifiziert. Dadurch werden die Materialdefekte erkannt und können durch Austausch behoben werden. Eine Kinderkrankheit wie bei anderen Innovationen auch, doch in diesem Fall ist sie zeitraubend und extrem kostspielig. Stellen die Forscher ein Problem fest, muss das Wasser aus den Kühltanks der entsprechenden Kavität entfernt werden. Erst dann können die Wissenschaftler die Struktur öffnen und sehen, wo der Fehler liegt. Insgesamt gibt es über 200 Ringkerne, die je rund 20000 US-Dollar kosten.

„Eine Fehlerquote von zehn Prozent ist derzeit im Budget und in der Fertigung enthalten“, sagt Schnase. „Ich bin zuversichtlich, dass es eine Lösung gibt. Aber es kann sein, dass wir zusätzliche Gelder benötigen, um es im Zeitplan zu schaffen.“ Die großzügige Budgetbewilligung fürs laufende Jahr macht Nagamiya Hoffnung, dass der Staat die notwendigen Gelder auch künftig zur Verfügung stellt, um die Anlage zeitig in Betrieb nehmen zu können. Er sorgt sich allerdings um die Konkurrenzfähigkeit. Denn die Betriebskosten in Japan sind höher als beim SNS in den USA. Der US-Rivale verschlingt 170 Millionen US-Dollar jährlich, Strom und Saläre inklusive. „Bei uns belaufen sich allein die Stromkosten auf 70 Millionen Dollar, weil die Energiepreise in Japan höher sind“, klagt Nagamiya. Alle anderen Kosten wie die Gehälter der Angestellten und Wissenschaftler kommen noch obendrauf.

Letztlich ist J-PARC allerdings kein kapitalistisches Unternehmen. Zwar sind die Nutzungsgebühren noch nicht festgelegt. Doch Nagamiya kann sich vorstellen, dass öffentliche Forschung frei oder zu geringen Entgelten durchgeführt werden kann. Werden die Ergebnisse allerdings nicht veröffentlicht, müssen die Unternehmen mehr Geld berappen. (wst)