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Verantwortlich: Dr. G. Bauer, PES, g.bauer@fz-juelich.de

Aufgaben und Ziele

Die Entwicklung und der Bau einer europäischen Spallationsneutronenquelle ESS als weltgrößte Neutronenquellen für Wissenschaft und Forschung wurde als Projekt von 17 Instituten aus 11 europäischen Ländern unterstützt. In den Quecksilber-Targets zweier speziell an die Bedürfnisse der Neutronenstreuexperimente angepasster Targetstationen sollten durch Beschuss mit Protonenstrahlen von je 5 MW Leistung die Neutronen erzeugt werden. Das höchste Potenzial für wissenschaftliche Forschung resultiert aus der Kombination einer Langpuls-Targetstation mit 2 ms Pulslänge und einer Wiederholfrequenz von 16 2/3 Hz mit einer Kurzpuls-Targetstation mit Pulslängen von wenigen Mikrosekunden bei einer Frequenz von 50 Hz. Entsprechend der im Januar 2003 im "European Strategy Forum for Research Infrastructures" (ESFRI) auf deutsche Initiative hin formulierten Empfehlung, eine ESS mittelfristig nicht zu realisieren, wurden die Aufgaben der FZJ-Projektgruppe "PES" dahingehend reduziert, die laufenden Arbeiten bis zum Jahresende 2003 geordnet abzuschließen und zu dokumentieren. Das Vorhaben wurde am 31.12.2003 beendet.

Wichtige Ergebnisse im Jahr 2003

Der Schwerpunkt der Arbeiten am FZJ lag im Berichtszeitraum auf der technischen Auslegung der Targetblocks mit Abschirmung, Strahlverschlüssen, Moderator- und Reflektoreinheit, Protonenstrahlfenster und dem Target mit Quecksilberkreislauf sowie den jeweils zugehörigen Handhabungssystemen. Dabei konnten in verschiedenen Punkten innovative Lösungen umgesetzt werden, die eine höhere Anlagenverfügbarkeit und bessere Betriebsbedingungen erwarten ließen, als sie an den derzeit in Realisierung befindlichen, vergleichbaren Anlagen in den USA und Japan erreicht werden. Das ursprüngliche Ziel, den Detaillierungsgrad so weit zu treiben, dass eine belastbare Kostenschätzung durch Industrieunternehmen erstellt werden kann, wurde allerdings wegen des im Verlauf der Jahres erfolgten Personalabbaus und des stark reduzierten Mitteleinsatzes nicht erreicht.

Zur Lösung der Problematik der Kavitations-Erosion im Flüssigmetall-Target bei gepulstem Hochleistungsbetrieb wurden Systeme entwickelt um Gasbläschen geeigneter Größe und Konzentration in einem Quecksilberkreislauf zu erzeugen, und zu analysieren und um Duckpulse zu simulieren. Die vielversprechenden Verfahren werden von dem entsprechenden US-Projekt übernommen und dort weiter entwickelt.

Bei der Qualifizierung der wegen ihrer thermomechanischen Eigenschaften bevorzugten martensitischen Stähle als Strukturmaterial für das Targetmodul wurden wesentliche Fortschritte erzielt:

• Oberflächenhärtung als Schutz gegen Kavitations-Erosion durch thermische Behandlung mit Elektronen- bzw. Laser-Strahlen ergab HV-Härtewerte bis 700 in Tiefen von einigen 100 µm, während Nitrierung in gepulsten Plasmen Werte bis 1200 HV in Tiefen von ca. 50 µm erbrachte.
• Zwischenzeitliches Anlassen kann die bestrahlungs-induzierte Versprödung weitgehend rückgängig machen, während die Härtung erhalten bleibt.
• Die durch das Transmutations-Produkt Helium bei hohen Konzentrationen verursachte drastische Verschlechterung des Bruchverhaltens tritt unterhalb von 0.25 at% nicht auf, was einer Betriebsdauer von mindestens drei Monaten bei ESS-Volllast entspricht.
• Als Fügetechniken für das ESS Target Modul wurden Elektronenstrahl- und Laserstrahl-Schweissung erprobt und unter den gegebenen Bedingungen optimiert.

Neutronische Rechnungen zu einem neuen, von der Instrumentierungsgruppe vorgeschlagenen Moderatorkonzept zeigten, dass mit den wesentlich vergrößerten Moderatoren zwar geringere Flussdichten erreicht werden, in den Fällen, in denen die gesamte Moderatorfläche genutzt werden kann aber ein Gewinn im Neutronenstrom erzielt wird.

Detaillierte Darstellungen der Einzelergebnisse wurden in den Beiträgen zu den Proceedings von ICANS-XVI (http://www.fz-juelich.de/ess/icans-xvi/ ) und dem ESS-Update Report (http://www.neutron-eu.net/en/index.php?cat=122) niedergelegt.