Grossforschungsanlage Sicherheit und Personenschutz für Neutronenquelle

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Im schwedischen Lund entsteht mit der European Spallation Source die stärkste Neutronenquelle weltweit. Die ZHAW war massgeblich an der Entwicklung der Maschinenschutz- und Personen-Sicherheitssysteme dieser Anlage beteiligt. Die Grossforschungsanlage dient zur Untersuchung von Materialeigenschaften und Prozessen auf atomarer Ebene.

2014 startete der Bau der European Spallation Source (ESS) im schwedischen Lund. Die Forschungseinrichtung ist ein Konsortium für eine europäische Forschungsinfrastruktur (ERIC), dem neben Schweden und der Schweiz elf weitere europäische Länder angehören. Aus der Schweiz ist neben der ZHAW auch das Paul-Scherrer-Institut (PSI) massgeblich am Aufbau der ESS beteiligt. Die Anlage ist zurzeit in der Inbetriebnahme. 2025 soll die Grossforschungsanlage zum ersten Mal Spallationsneutronen generieren. Wissenschaftler aus vielen unterschiedlichen Forschungsbereichen versprechen sich durch den sehr intensiven und gepulsten Neutronenstrahl eine effizientere Erforschung von Materialeigenschaften. Die Anwendungen reichen von der Optimierung von Festplatten über die Untersuchung von Strukturen im Quantencomputing bis hin zur Weiterentwicklung von Solarzellen und der Aufschlüsselung von Molekülstrukturen. «Die Neutronen-Physik ist für Wissenschaftler:innen, die etwas über die Materialstruktur erfahren wollen, sehr interessant. Neutronen durchdringen dichtere Materialien besser als zum Beispiel Röntgenstrahlen. Dadurch ermöglichen sie die Untersuchung der inneren Strukturen von Objekten», erklärt Christian Hilbes. Der ZHAW-Forscher ist stellvertretender Leiter des Instituts für Angewandte Mathematik und Physik (IAMP) und forscht im Bereich sicherheitskritische Systeme. «Unsere Aufgabe beim Aufbau der ESS bestand zum einen darin, die Konzepte für das Machine-Protection-System zu entwickeln und zum andern konkrete Teilsysteme davon zu realisieren. Zudem haben wir die ESS bei der Entwicklung verschiedener Personnel Safety-Systeme unterstützt», sagt Hilbes.

Protonenstrahl muss innerhalb kürzester Zeit stoppen

Der 600 Meter lange Protonen-Beschleuniger sowie die daran anschliessende, rotierende Neutronenquelle wurden eigens für die ESS entwickelt. Viele der Komponenten des Beschleunigers sind aufwändig realisierte Einzelanfertigungen. Wenn der Strahl Eigenschaften wie Ausdehnung oder Richtung stark ändert, können die Protonen diese Komponenten treffen, die daraufhin reagieren, etwa mit einem schnellen Alterungsprozess. Bei einer Fehlleitung des Strahls kann sogar ein Loch im Strahlrohr entstehen. «Die Folgen davon sind Schäden, die unter Umständen eine lange Abschaltung der Anlage nach sich ziehen können, was jeden Fall vermieden werden sollte», erklärt Christian Hilbes. Das Machine-Protection-System hat die Aufgabe, zu reagieren, bevor es zu einem Schaden an der Anlage kommt. Dazu überwacht das System unzählige Parameter, die entlang des ganzen Beschleunigers gemessen werden. Überschreiten die Parameter festgelegte Toleranzen, wird innerhalb kürzester Zeit eine Strahlabschaltung durchgeführt.

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Ein schnelles Interlock-System als zentrales Element der ESS Machine Protection

Die Herausforderung für das Team der ZHAW, das aus zehn Forschern des IAMP bestand, war ein Konzept für die ESS zu entwickeln, wie das Machine-Protection-System mit all seinen Subsystemen aufgebaut werden soll. «Hier haben wir die ESS von Beginn an mit unserem breiten Know-how unterstützt», sagt Christian Hilbes. Auf einige der Ereignisse, die am Beschleuniger auftreten können, muss extrem schnell reagiert werden. Für diese Kategorie von Ereignissen hat das ZHAW-Team das sogenannte Fast-Beam-­Interlock-System (FBIS) entwickelt. «Die sehr spezifischen Anforderungen an das FBIS hatten zur Folge, dass dieses System von Grund auf entwickelt werden musste. Es gab kein kommerziell erhältliches System, das die Anforderungen erfüllt hätte; lediglich technische Vorbilder an anderen Beschleunigern, auf denen aufgebaut werden konnte», ordnet Hilbes ein. «Das FBIS muss innerhalb von einigen 10 bis 100 Mikrosekunden reagieren und dies während 24 Stunden am Tag, möglichst ohne Fehlabschaltungen zu generieren», erklärt Martin Rejzek, stellvertretender Leiter des Forschungsbereichs Sicherheitskritische Systeme und beim ESS-Projekt zuständig für die Spezifikation und Entwicklung des kompletten FBIS und dessen Integration in die ESS-Architektur.

Insgesamt hat das Team des IAMP mit Unterstützung von Forschern des Instituts für Embedded Systems (InES) sowie zweier Schweizer Firmen – IOxOS Technologies und Sotronik GmbH – 593 Hardware-Einheiten entwickelt, produziert und die darauf laufende Software implementiert. Wie anspruchsvoll diese Aufgabe war, lässt sich an einem Beispiel veranschaulichen: «Zum Einsatz kommt das FBIS etwa, wenn ein Strahlstrommonitor eine unerwartete Strahlintensität misst. Dann muss das FBIS zu der Entscheidung kommen, ob es den Strahl abschaltet oder nicht», führt Rejzek aus. Die Strahlstrommonitore sowie deren Auswertesystem wurden mit dem Fokus auf Strahloptimierung und nicht Machine Protection entwickelt. Die Herausforderung bestand nun darin, diese Systeme so in das FBIS und damit in das ESS-­Machine-Protection-Konzept zu integrieren, dass trotz der gesamten Komplexität des Machine-Protection-Systems eine hohe Zuverlässigkeit erreicht wird. «Insgesamt mussten wir mehrere hundert Input-Signale von teils sehr unterschiedlichen Systemen in das FBIS integrieren», fasst Martin Rejzek die komplexe Aufgabenstellung zusammen.

Mitwirkung an Schutzkonzept für ESS-Personal

Auch an der Auslegung, Realisierung und bei der Nachweisführung verschiedener Personnel-Safety-Systeme der ESS war das Team der ZHAW massgeblich beteiligt. «Da es um Personenschutz geht, primär um den Schutz vor Strahlung, müssen für diesen Bereich sehr strenge Vorgaben der Behörden eingehalten werden», erklärt Christian Hilbes. Dazu gehören Freigabe-Regelungen, etwa zur Frage, wann sich eine Person in welchem Bereich aufhalten darf. Die ZHAW hat hier die ESS beim Konzept, bei der Entwicklung sowie der Validierung verschiedener Personnel-Safety-Systeme unterstützt. Befasst hat sich damit von ZHAW-Seite primär Joanna Weng, die grosse Expertise auf dem Gebiet der Bewertung von funktionaler Sicherheit besitzt.

Überraschende Herausforderung für das ZHAW-Team

Die Forscher der ZHAW mussten sich neben den zahlreichen Herausforderungen, die die Realisierung eines solchen neuartigen Machine-Protection-Systems bereithielt, auch mit scheinbar banalen Dingen beschäftigen. «Die Beteiligung am Aufbau einer europäischen Grossforschungsanlage ist für eine Fachhochschule wie die ZHAW nichts Alltägliches. Von der nicht trivialen Logistik von der Schweiz nach Schweden bis zu vertragsrechtlichen und finanziellen Fragen waren wir neben unserer Entwicklungstätigkeit in viele Bereiche und Prozesse involviert, mit denen wir bisher als Forschende wenig Berührungspunkte hatten», fasst es Christian Hilbes zusammen. Fest steht: «Für das ganze Team und die ZHAW war das ein aussergewöhnliches und herausforderndes Projekt, dessen Dimension und Ausprägung für uns als Hochschule eine ganz neue Erfahrung war.»

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