NUCLEUS – Strukturierte Relocation und Installation eines Kryo‑Experiments

Projektüberblick

Projekt:

NUCLEUS-Experiment

Projektkontext:

Relocation, Aufbau und Inbetriebnahme eines kryogenen Detektorsystems

Rolle von Scientific Support:

Strukturierung und Umsetzung der Relocation sowie mechanisches Engineering und Integration

Projektkontext und Zielsetzung

Das NUCLEUS‑Experiment untersucht eine neue Methode um Neutrinos über einen kleinen ultra-tief-gekühlter Kristall detektierbar zu machen. Hierfür wurde im Untergrundlabor der Technischen Universität München ein eigener Aufbau realisiert, der in den letzten Jahren erfolgreich betrieben wurde. Nun sollte das Experiment in eine neue Phase gehen und einem erhöhten Neutrinofluss ausgesetzt werden, um Testbedingungen für den aktuellen Aufbau zu optimieren. Dafür musst der bestehende Aufbau in den Sicherheitsbereich eines kommerzielles Kernkraftwerk in Frankreich umziehen. Diese Relocation umfasste nicht nur den Transport eines funktionsfähigen Systems, sondern auch die gezielte Anpassung und Weiterentwicklung des Aufbaus für den optimierten Betrieb am neuen Standort. Gleichzeitig musste ein strukturierter Ablauf für Rückbau, Transport und Wiederaufbau entwickelt werden, der eine sichere Durchführung unter den erhöhten Anforderungen einer sicherheitskritischen Umgebung ermöglicht.

Beitrag von Scientific Support

Scientific Support begleitete das Projekt über alle Phasen hinweg – von der Planung bis zur erfolgreichen Inbetriebnahme.

Ein zentraler Beitrag lag in der Strukturierung des Relocation‑Prozesses sowie in der praktischen Umsetzung der einzelnen Schritte in enger Zusammenarbeit mit den wissenschaftlichen Mitarbeitern der Kollaboration.

Dies umfasste insbesondere:

  • Planung und Organisation der gestuften Relocation
  • Unterstützung beim Rückbau und Aufbau der Systeme gemeinsam mit dem Experimentteam
  • Entwicklung projektspezifischer technischer Lösungen (u. a. Hebeeinheiten und Transporthilfsmittel)
  • Durchführung und Koordination der Transporte
  • Begleitung der Integration und präzisen Ausrichtung des Systems

Diese Kombination aus kollaborativer Umsetzung, Engineering und Prozessstrukturierung ermöglichte es, das Experiment unter realen Bedingungen sicher zu verlagern und wieder in Betrieb zu nehmen.

Zentrale Arbeitspakete im Rahmen der Relocation

Teilprojekt 1 – Planung und gestufte Relocation

Der Umzug wurde in drei aufeinander abgestimmte Phasen unterteilt, die sich an Robustheit, Funktion und Empfindlichkeit der Systeme orientierten:

  • Phase 1 – robuste Systeme
    Muon Veto, ~4 t Shielding und Schienenkonstruktion wurden zurückgebaut, gesichert und transportiert.
    Der Fokus lag auf mechanischer Transportsicherung, Palettierung und logistischer Abstimmung – teilweise mit speziell angefertigten Transportlösungen.
  • Phase 2 – strukturelle Systeme
    Rahmenbauteile und Komponenten wie Kompressoren wurden transportiert, um die mechanische Infrastruktur am Zielort aufzubauen.
  • Phase 3 – kritische Systeme
    Empfindliche Komponenten (Gas‑Handling, Steuerung, Elektronik) wurden erst nach Aufbau der Infrastruktur eingebracht und mit TINA (Transport and Installation Aid for Cryostats) sicher gehandhabt.

Diese gestufte Relocation war entscheidend, um Risiken zu minimieren und einen kontrollierten Aufbau vor Ort zu ermöglichen

Teilprojekt 2 – Installation der Rahmenstruktur

Die Installation im Reaktorgebäude stellte eine eigenständige technische Herausforderung dar.
Das Experiment basiert auf zwei zentralen Strukturen:

  • Spring Rack (Tragstruktur für eine Schwiungsdämpfung)
  • Cryo‑Rack (trägt den Kryostaten)

Der Aufbau musste unter restriktiven Randbedingungen erfolgen:

  • minimaler Abstand zur Decke (~2 cm)
  • keine hängenden Lasten erlaubt
  • stark eingeschränkter Arbeitsraum

Zur Umsetzung wurden zwei spezielle Hebeeinheiten entwickelt, gefertigt und vor Ort eingesetzt, mit denen die gesamte Konstruktion kontrolliert vom Boden aus angehoben und in Einbauposition gebracht werden konnte.

Dies zeigt, dass solche Projekte auch unter besonders sicherheitskritischen Bedingungen, wie sie auf dem Gelände eines Kernkraftwerks vorliegen, zuverlässig umgesetzt werden können.

Teilprojekt 3 – Einbringung und Integration des Kryostaten

Ein wesentlicher Teil der Herausforderung bestand darin, den Kryostaten sicher in das Gebäude einzubringen und in die Struktur zu integrieren.

Hierfür wurde ein eigener, einfacher Transportwagen aus Holz entwickelt, der speziell für diesen Zweck ausgelegt war. Mit diesem System konnte der Kryostat kontrolliert in den Zielbereich bewegt werden.

Die Integration erfolgte in mehreren Schritten:

  • Einbringen des Kryostaten in das Gebäude
  • Transfer vom Transportwagen in das Cryo‑Rack
  • Anheben und Einhängen des Kryostaten ausschließlich mit den Hebeeinheiten
  • anschließende mechanische Feinpositionierung

Der Transfer erfolgte bewusst ohne zusätzliche Systeme wie TINA und basierte vollständig auf der entwickelten Hebelösung.

Teilprojekt 4 – Präzise Integration im Systemverbund

Die finale Ausrichtung des Kryostaten stellte einen kritischen Integrationsschritt dar.

Der Kryostat wurde im Cryo‑Rack hängend positioniert und anschließend mit einer Genauigkeit von etwa 1–2 mm in x‑, y‑ und z‑Richtung relativ zur bestehenden Infrastruktur ausgerichtet.

Diese Präzision war erforderlich, da:

  • das etwa 4 t schwere Shielding den Kryostaten eng umschließt
  • das Shielding entlang der Schienen beweglich ist
  • bereits geringe Fehlstellungen zu Kollisionen zwischen Shielding und Kryostat geführt hätten

Die exakte Ausrichtung war damit eine grundlegende Voraussetzung für den sicheren Betrieb des Systems.

Teilprojekt 5 – Systemintegration und Inbetriebnahme

Nach der mechanischen Integration wurde das System vollständig verbunden und schrittweise getestet.
Der Zustand des Kryostaten zeigte keine Auffälligkeiten:

  • keine mechanischen Schäden
  • keine gelösten Verbindungen
  • keine beschädigten Komponenten

Das System erreichte ein stabiles Vakuum, und der erste Cool‑Down verlief reibungslos.
Damit konnte nachgewiesen werden, dass während:

  • der Transfers
  • des Landtransports
  • der Installation unter realen Bedingungen

keine schädigenden mechanischen Einwirkungen aufgetreten sind.

Ergebnis

Die Relocation und Installation des NUCLEUS‑Experiments konnte vollständig und ohne Nacharbeit umgesetzt werden.

Das Kryostatensystem zeigte nach Integration keine Auffälligkeiten, insbesondere keine mechanischen Schäden oder gelösten Verbindungen. Das System erreichte ein stabiles Vakuum, und der erste Cool‑Down verlief reibungslos.

  • keine Beschädigungen trotz mehrfachem Transfer und Transport
  • stabile Systembedingungen unmittelbar nach der Installation
  • erfolgreicher Betrieb ohne zusätzliche Anpassungsschritte

Damit konnte nachgewiesen werden, dass der gesamte Relocation‑ und Integrationsprozess – einschließlich Transport, Einbringung und präziser Ausrichtung – unter realen Bedingungen sicher durchgeführt wurde.

Einordnung

Das Projekt zeigt die Relocation eines komplexen Kryostatensystems unter realen und sicherheitskritischen Bedingungen.

Entscheidend war die Kombination aus:

  • strukturierter Planung
  • gestufter Transportstrategie
  • Entwicklung spezifischer technischer Lösungen
  • kollaborativer Umsetzung mit dem Experimentteam
  • präziser Integration im Millimeterbereich

Diese Kombination ermöglichte es, das Experiment nicht nur zu verlagern, sondern direkt in einen stabil funktionsfähigen Betriebszustand zu überführen.

Projekt Galerie

beforeNUCLEUS @ NPP in France

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