Europejskie źródło neutronów

Najprościej mówiąc

Neutron to jedna z cząstek, z których zbudowane jest jądro atomu. Uwolniony staje się niezwykle przydatną sondą: wnika głęboko w materiały i – jak ujmuje to ILL – może zachowywać się jak cząstka, jak fala albo jak mikroskopijny magnes. Do eksperymentów z neutronami potrzeba ich bardzo wielu, a reaktor badawczy jest jednym ze sposobów, by je uzyskać.

ILL to właśnie taki reaktor, zbudowany nie dla energii, lecz dla nauki. Sam instytut podkreśla tę różnicę: elektrownie jądrowe wykorzystują reakcje jądrowe do wytwarzania energii, a ILL – do pozyskiwania neutronów z jąder uranu na potrzeby badań.

Reaktor

Reaktor wysokostrumieniowy ILL ma moc cieplną 58,3 megawata. Jego rdzeń to pojedynczy element paliwowy z około 10 kilogramami wysoko wzbogaconego uranu, chłodzony ciężką wodą. Według ILL daje on najintensywniejszy ciągły strumień neutronów na świecie w obszarze moderatora: 1,5 × 10¹⁵ neutronów na sekundę na centymetr kwadratowy.

Neutrony uwalniane przy rozszczepieniu w rdzeniu są o wiele za szybkie, żeby się do czegoś nadawały, więc trzeba je spowolnić (zmoderować). Około dwudziestu kanałów wyprowadza je z reaktora, a prowadnice neutronowe kierują je do instrumentów, których jest około czterdziestu – niektóre stoją nawet 100 metrów od reaktora.

Strony ILL opisują rytm pracy na dwa sposoby: jedna mówi o czterech 50-dniowych cyklach rocznie, aktualny opis reaktora – o mniej więcej trzech cyklach po około 60 dni, po każdym z nich następuje przerwa na wymianę elementu paliwowego. Opublikowany harmonogram na 2026 rok obejmował trzy cykle, trwające 48, 56 i 58 dni; ostatni zakończył się 29 października (stan na 3 listopada 2026 r.).

Neutrony gorące, zimne i bardzo wolne

Różne eksperymenty wymagają neutronów o różnych prędkościach, a reaktor ma specjalne źródła, które je zapewniają. ILL opisuje „źródło gorące” – grafitową kulę o temperaturze 2600 °C, która przyspiesza neutrony – oraz „źródło zimne”, kulę z 20 litrami ciekłego deuteru o temperaturze −248 °C, która je spowalnia. Według ILL szybkie neutrony z rozszczepienia mają prędkość około 20 000 kilometrów na sekundę, neutrony termiczne 2,2 kilometra na sekundę, zimne około 700 metrów na sekundę, a ultrazimne około 10 metrów na sekundę.

Wolne neutrony mają dłuższą falę, co pasuje do większych struktur, takich jak białka i polimery; neutrony termiczne odpowiadają odległościom między atomami w krysztale.

Jak to się zaczęło

ILL powstał 19 stycznia 1967 roku na mocy porozumienia Francji i Republiki Federalnej Niemiec. Siłą napędową projektu byli francuski fizyk Louis Néel, późniejszy laureat Nagrody Nobla z 1970 roku za prace nad magnetyzmem, oraz Heinz Maier-Leibnitz, ojciec badań neutronowych w Niemczech i pierwszy dyrektor ILL (1967–1972); według ILL to ich przyjaźni i wpływom Grenoble zawdzięcza instytut. Reaktor uruchomiono po raz pierwszy ostatniego dnia sierpnia 1971 roku.

Wielka Brytania zdecydowała się dołączyć w styczniu 1973 roku, a w 1974 roku została trzecim państwem stowarzyszonym. Kolejne kraje przystępowały później jako członkowie naukowi, poczynając od Hiszpanii w 1987 roku i Szwajcarii w 1988 roku; Polska jest nim od 2006 roku.

Skąd nazwa „Laue-Langevin”

Założyciele nazwali instytut na cześć niemieckiego i francuskiego fizyka. Max von Laue (1879–1960) dostał Nagrodę Nobla w 1914 roku za wykazanie, że kryształy uginają promieniowanie rentgenowskie – na tym odkryciu opiera się wiele z tego, co dzieje się w sąsiednim ESRF. Paul Langevin (1879–1946) zajmował się magnetyzmem, ultradźwiękami i teorią względności, a jego badania spowalniania neutronów pomogły ukształtować konstrukcję reaktorów badawczych.

Odnawianie starej maszyny

Reaktor ma ponad pięćdziesiąt lat, ale wiele jego części jest znacznie młodszych. Zbiornik reaktora wymieniono w 1995 roku, co według ILL wydłużyło jego techniczną żywotność do około 2060 roku. Instrumenty przebudowywano w kolejnych programach. Program Millennium, w latach 2001–2018, objął budowę lub modernizację 25 instrumentów i wymianę prowadnic neutronowych; według ILL średnia liczba rejestrowanych neutronów wzrosła dzięki niemu 25-krotnie. Następny program, Endurance, przyniósł 30 nowych i zmodernizowanych instrumentów oraz elementów infrastruktury, a liczba zliczeń wzrosła średnio dziesięciokrotnie.

Równolegle trwają prace nad bezpieczeństwem. Przerwa w latach 2024–2025 trwała blisko dziesięć miesięcy; w tym czasie zamontowano w budynku reaktora nową instalację tryskaczową i wzmocniono kazamaty, w których biegną prowadnice neutronowe. ILL projektuje systemy bezpieczeństwa tak, by wytrzymały m.in. trzęsienie ziemi o magnitudzie 5,7 bezpośrednio pod reaktorem, a jego laboratorium środowiskowe pobiera rocznie około 1500 próbek wody, powietrza i innych wskaźników. W 2025 roku rządy Francji, Niemiec i Wielkiej Brytanii zgodziły się na pracę instytutu do 2033 roku.

ILL dziś

ILL finansują trzy państwa stowarzyszone – Francja, Niemcy i Wielka Brytania – razem z państwami członkami naukowymi. Roczny budżet wynosi około 100 milionów euro. Instytut zatrudnia ponad 500 osób około 30 narodowości. W 2023 roku ponad 1600 badaczy z 40 krajów przeprowadziło tu 1062 eksperymenty.

Czasu pomiarowego jest mało. Wnioski ocenia pod kątem wartości naukowej podkomisje Rady Naukowej ILL, a główne terminy są dwa w roku: w lutym i we wrześniu. Według ILL instytut dostaje blisko 1500 wniosków rocznie i może przyjąć mniej więcej połowę. Co pokazują neutrony i czym różnią się od promieniowania rentgenowskiego, wyjaśniamy na stronie Dwa sposoby patrzenia na atomy.