Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gesucht: das richtige Wandmaterial für ITER

02.10.2007
Seit kurzem ist die Fusionsanlage ASDEX Upgrade im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching die weltweit einzige Anlage, die mit einer vollständig mit dem Metall Wolfram bedeckten Wand experimentieren kann. Die Ergebnisse sind viel versprechend: Wolfram als Wandmaterial könnte auch für das internationale Fusionsexperiment ITER eine attraktive Lösung sein.

Forschungsziel des IPP ist die Entwicklung eines Kraftwerks, das - ähnlich wie die Sonne - aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnt. Die Machbarkeit soll mit 500 Megawatt Fusionsleistung der internationale Experimentalreaktor ITER (lat. "der Weg") zeigen, dessen Bau im kommenden Jahr in Cadarache/Südfrankreich beginnen wird. Hier muss es gelingen, den Brennstoff - ein dünnes ionisiertes Wasserstoffgas, ein "Plasma" - berührungsfrei in einem Magnetfeldkäfig einzuschließen und auf Zündtemperaturen über 100 Millionen Grad aufzuheizen. Eine der großen Herausforderungen dabei ist es, eine verträgliche Wechselwirkung zwischen dem heißen Plasma und der Wand des umgebenden Gefäßes zu erreichen.

Das Problem

Energiereiche Plasmateilchen können nämlich Atome aus der Wand herausschlagen, die dann in das Plasma eindringen und es verunreinigen. Anders als der leichte Wasserstoff sind die schweren Atome aus der Wand auch bei den hohen Fusionstemperaturen nicht vollständig ionisiert. Je mehr Elektronen noch an die Atomkerne gebunden sind, desto mehr Energie entziehen sie dem Plasma und strahlen sie als Ultraviolett- oder Röntgenlicht wieder ab. Auf diese Weise kühlen sie das Plasma ab, verdünnen es und verringern so die Fusionsausbeute. Sind leichte Verunreinigungen in Konzentrationen von einigen Prozent noch tragbar, liegt das Limit für schwere Verunreinigungen wie Eisen oder Chrom viel niedriger. Heutige Anlagen nutzen deshalb für die Wand durchweg leichte Materialien wie Beryllium oder Kohlenstoff. Auch für die Wand des Testreaktors ITER sind beide vorgesehen.

... mehr zu:
»ASDEX »IPP »ITER »Kohlenstoff »Plasma »Upgrade »Wandmaterial

Für ITER sind Kohlenstoff und Beryllium aber nicht mehr problemlos: Ihre Zerstäubung bei Beschuss mit Wasserstoff ist relativ hoch - bei den hohen Wasserstoff-Flüssen aus dem großen ITER-Plasma käme es daher zu starkem Materialabtrag. Darüber hinaus sammeln sich in Kohlenstoff leicht Wasserstoff-Teilchen an, in ITER also auch - aus Sicherheitsgründen höchst unerwünscht - die radioaktive Variante Tritium. Eine komplett mit dem Metall Wolfram beschichtete Wand würde diese Probleme der leichten Elemente vermeiden: Wolfram zeigt vorteilhafte thermische Eigenschaften, geringe Zerstäubung durch Wasserstoff, keine langfristige Einlagerung von Tritium. Bleibt die kritische Frage, wie viele der schweren Wolfram-Teilchen in das Plasmazentrum vordringen können. Mehr als einige Hunderttausendstel - so neuere Abschätzungen - dürfen es für ITER nicht sein.

Wolfram-Experimente im IPP

Pionier beim Testen von Wolfram als Wandmaterial ist das Garchinger Experiment ASDEX Upgrade: Trotz schlechter Erfahrungen in anderen Laboratorien hat man 1996 damit begonnen, spezielle Partien der ansonsten komplett mit Kohlenstoff-Kacheln bedeckten Wand mit Wolfram zu beschichten. Man setzte dabei auf den andersartig eingestellten, ITER-ähnlichen, d.h. kalten Plasmarand von ASDEX Upgrade. Das Ergebnis ermutigte zu einer weiteren Reduzierung des Kohlenstoffs. Man wollte prüfen, wie sich dies auf das Plasma und seine Wechselwirkung mit den Wolfram-Komponenten auswirkt. Um andere Forschungsziele nicht zu gefährden, wurde die Wolfram-Oberfläche nur schrittweise vergrößert. Die sich jeweils im Plasma einstellende Wolfram-Konzentration zuverlässig zu ermitteln, ist nicht einfach, umso weniger, wenn die Abstrahlungsverluste nicht nur einer einzigen Verunreinigung zuzuordnen sind. Nach Entwicklung der nötigen Messmethoden zeigte sich jedoch, dass auch eine ausgedehnte Wolfram-Oberfläche das Plasma von ASDEX Upgrade nicht über Gebühr beeinflusst.

Bleibt zu beweisen, dass auch eine volle Metallauskleidung des Gefäßes mit den für ITER gewünschten günstigen Plasmazuständen - wie dem im IPP entwickelten "High Confinement-Regime" - verträglich ist. Nachdem die letzten Kohlenstoff-Kacheln ausgetauscht und alle Oberflächen sorgfältig gereinigt waren, begannen kürzlich die Experimente mit einer reinen Wolfram-Wand. Im Interesse eindeutiger Versuchsbedingungen hat man dabei auch auf die sonst allgemein übliche Vorbehandlung des Gefäßes mit Bor verzichtet. Um die Verluste durch Verunreinigungsstrahlung zu reduzieren, werden dazu die Wandoberflächen durch eine Glimmentladung in einem Borwasserstoffgas mit einer dünnen Bor-Schicht bedeckt. In ITER oder einem späteren Kraftwerk wird dies jedoch nicht mehr möglich sein.

Deshalb hat auch ASDEX Upgrade ohne Borierung begonnen - und war erfolgreich: Die Wolframkonzentration liegt unter der kritischen Schwelle, die gewünschten günstigen Plasmazustände lassen sich mit nur geringem Qualitätsverlust einstellen. Ziel der weiteren Untersuchungen wird es sein, die Wolfram-Verträglichkeit in ITER-relevanten Plasmazuständen genau zu prüfen. Entscheidend wird sein, ob auch ohne Borierung andauernde "gute" High-Confinement-Plasmen erreicht werden. Ungefähr zwei Jahre kann sich das IPP für diese Arbeiten Zeit nehmen - dann fällt die Entscheidung über die Innenwand von ITER.

Isabella Milch | idw
Weitere Informationen:
http://www.ipp.mpg.de

Weitere Berichte zu: ASDEX IPP ITER Kohlenstoff Plasma Upgrade Wandmaterial

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht CAU-Forschungsteam entwickelt neues Verbundmaterial aus Kohlenstoffnanoröhren
22.11.2017 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Material mit vielversprechenden Eigenschaften
22.11.2017 | Universität Konstanz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Zahnimplantate: Forschungsergebnisse und ihre Konsequenzen – 31. Kongress der DGI

22.11.2017 | Veranstaltungen

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

Neues Elektro-Forschungsfahrzeug am Institut für Mikroelektronische Systeme

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Klimawandel begünstigt Methanfreisetzung aus Gewässern

22.11.2017 | Geowissenschaften

Usutu-Virus verringert Amselpopulation im Ausbruchsgebiet

22.11.2017 | Biowissenschaften Chemie

Das Gespür der Tauben für Symmetrie

22.11.2017 | Biowissenschaften Chemie