Spallation

Spallation (von engl. to spall „absplittern“) ist eine nichtelastische Wechselwirkung eines Atomkerns mit einem Projektil (Neutron, Proton, einem anderen Kern oder einem Elementarteilchen) hoher kinetischer Energie (> 100 MeV). Der Atomkern wird dabei in kleinere Bruchstücke und in der Regel mehrere Neutronen zerschmettert.

Die Spallationsreaktion läuft zweistufig ab. Das Projektil wechselwirkt dabei zunächst mit den einzelnen Nukleonen des Targetkerns, die ihrerseits wieder mit anderen Nukleonen wechselwirken, so dass eine Teilchenkaskade innerhalb des Targetkerns entsteht. Einige dieser Protonen und Neutronen verlassen dabei den Targetkern mit Energien bis zur ursprünglichen Energie des Projektils. Die Hauptrichtung der emittierten Teilchen fällt mit der Richtung des Projektils zusammen. Bei Projektilenergien größer als 400 MeV können auch Pionen erzeugt werden.

Zurück bleibt ein hochangeregter Restkern, in dem die kinetische Energie statistisch gleichmäßig über alle Nukleonen verteilt ist. Die zweite Stufe der Spallationsreaktion besteht dann aus dem „Abdampfen“ von Neutronen und Protonen – weniger häufig auch von α-Teilchen und anderen Kernfragmenten – vom Targetkern. Diese Nukleonen haben Energien bis zu 10 MeV und eine isotrope Winkelverteilung. Der verbleibende Kern ist in der Regel weiterhin instabil und somit radioaktiv.

Die erste Reaktionsstufe dauert etwa 10^-22 Sekunden. Das ist die Zeit, die das Projektil zum Durchlaufen des Kerns benötigt. Die zweite Stufe dauert etwa 10^-16 Sekunden.

In der Natur kommen Spallationsreaktionen z. B. bei der Wechselwirkung der Kosmischen Strahlung mit interstellarer oder interplanetarer Materie vor. So kann etwa durch Messung der Häufigkeit von durch Spallation entstandenen Reaktionsprodukten, z. B. bestimmten Edelgasisotopen, in Meteoriten deren Bestrahlungsalter bestimmt werden. Technisch wird die Spallation in Spallationsneutronenquellen zur Erzeugung von Neutronen genutzt, was eine Alternative zu deren üblicher Erzeugung in Forschungsreaktoren sein kann. In Europa gibt es derzeit die Kurzpulsquelle ISIS bei Oxford, welche mit Neutronenpulslängen im Mikrosekundenbereich arbeitet, sowie die kontinuierliche Quelle SINQ in der Schweiz. Die größere Europäische Spallationsquelle ESS soll ca. 2020 in Betrieb gehen.

Weblinks

• Homepage von SINQ, Schweizer Spallationsquelle
• Spallation Neutron Source (SNS) - Spallations-Neutronenquelle des Oak Ridge National Laboratory in den USA.
• Projekt Europäische Spallationsquelle in Lund, Schweden