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 Innovation im Leichtbaubereich: Belastbares Sandwich aus Aramid und Carbon
21.02.2018 | Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V.

nachricht Wie verbessert man die Nahtqualität lasergeschweißter Textilien?
20.02.2018 | Hohenstein Institute

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics