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Forschungszentrum: Auf dem Weg zum Fusionsreaktor

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Rund ein Dreivierteljahr dauerte der Experimentaufbau im Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung, ehe das erste Plasma von den Wissenschaftlern um Dr. Ralph Schorn erzeugt werden konnte. Foto: hfs.

Jülich. Welche Materialien halten rund um die Uhr eine Wärmebelastung von 100 Millionen Grad aus? Eine solche Hitze wird in einem Fusionskraftwerk erzeugt, das Wissenschaftler ab 2035 in Betrieb nehmen wollen.

Jetzt hat im Forschungszentrum Jülich (FZJ) ein drei Tonnen schweres und eine Million Euro teures Gerät, der Plasmagenerator PSI-2, seinen Betrieb aufgenommen. Er wird helfen, Materialien zu finden, die dann ab dem Jahr 2035 als Wandelemente den Dauerbetrieb in einem Fusionskraftwerk aushalten könnten.

„Wir haben unser jetziges Experiment während des letzten Dreivierteljahres aufgebaut und jetzt das erste Plasma erzeugt”, sagt Prof. Bernhard Unterberg vom Institut für Energie- und Klimaforschung. Er und sein Team untersuchen die Wechselwirkung des heißen Plasmagases mit den umgebenden Oberflächen.

Nur bei Plasmatemperaturen von etwa 100 Millionen Grad verschmelzen die Atomkerne optimal und setzen Energie frei. Nach dem gleichen Prinzip erzeugt auch die Sonne ihre Energie.

Kontrollierter Kontakt

Für die Wände eines Fusionskraftwerks wären diese hohen Brenntemperaturen eigentlich kein Problem. Denn ein eigens dafür ausgelegter Magnetfeldkäfig ist in der Lage, den ungewollten Kontakt des Plasmas mit der gesamten Innenwand zu verhindern. Doch in Fusionskraftwerken ist ein kontrollierter Kontakt des Plasmas mit der Kammerwand gewollt und sogar notwendig. „Die Heliumkerne, die bei der Fusion der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium entstehen, wirken auf den Fortgang der Fusion wie das Verbrennungsprodukt Kohlendioxid auf eine Kerze im abgedeckten Glas”, bemüht Dr. Ralph Schorn einen Vergleich. Denn wenn das Helium nicht rasch genug entfernt wird, erstickt die Fusion. Deshalb wird das schützende Magnetfeld an bestimmten Stellen kontrolliert geöffnet und das Helium abgepumpt. Diese Stellen der Wand sind kontinuierlich einem hohen Wärme- und Teilchenfluss ausgesetzt, der Material aus der Wand herausschlägt. „Dieses kann in das Plasma gelangen und schlimmstenfalls die Fusion beenden. Außerdem wird die Wand dünner, was natürlich ihre Lebensdauer begrenzt und damit auch in die Wirtschaftlichkeit späterer Kraftwerke eingeht”, sagt Unterberg.

Trotz ausführlicher Untersuchungen der Wandschädigung an der Jülicher Experimentalplattform Textor gibt es bisher keine Daten über das Verhalten der Wand im Fusionsdauerbetrieb unter den realen Bedingungen von Kraftwerken.

Zwar nimmt das internationale Fusionsexperiment ITER 2019 seinen Betrieb auf. Doch anders als später in „richtigen” Kernfusionskraftwerken wird es in ITER keinen Dauerbetrieb geben. Die Kernfusion wird jeweils nur für einige Minuten gezündet.

Jetzt schon beginnen, es braucht eine lange Vorlaufzeit

Deshalb beginnt das FZJ mit der Untersuchung der Auswirkungen, die der Dauerbetrieb auf die Wände der Fusionskraftwerke ab 2035 haben wird. „Dass wir schon jetzt damit anfangen, ist zwingend notwendig, um die Erkenntnisse rechtzeitig vorliegen zu haben”, sagt Unterberg. „Denn für viele Entwicklungen benötigen wir eine lange Vorlaufzeit.”

Im Jülicher Pilotexperiment wird Plasma auf eine Probe des Wandmaterials „geschossen”. Mit Hilfe von Laserlicht wird dann analysiert, welche Materialien in das Plasma gelangen und die Fusion zu behindern drohen. Anders als bei den auf die Energieerzeugung zielenden Reaktorkonzepten, in denen die Kernfusion nur aufrechterhalten werden kann, wenn das Plasma von Magnetfeldern auf eine Ringbahn gezwungen wird, bewegt sich das Plasma im PSI-2 im Wesentlichen nur geradeaus, was die Analyse vereinfacht. Eine Kernfusion findet hier nicht statt.

Die nächste Projektphase ab 2015 planen die Forscher schon jetzt, denn es fehlt noch ein sehr wichtiger Aspekt: Die Wand im Fusionskraftwerk wird fortwährend mit Neutronen bestrahlt. Diese Neutronen entstehen bei der Kernfusion und tragen 80 Prozent der erzeugten Energie aus dem Plasma hinaus. „In den Wänden und in speziellen Materialien außerhalb der Brennkammer werden die Neutronen abgebremst und erwärmen dadurch das Material. Über einen Kühlkreislauf kann man die Wärme dann zur Dampferzeugung nutzen und eine Turbine zur Stromerzeugung antreiben”, erklärt Unterberg.

FZ ist für diese Art Forschung prädestiniert

Der springende Punkt aber ist der, dass die Neutronen die Materialeigenschaften der Wand verändern, etwa die Struktur des Kristallgitters. Mit dem Nachfolgeexperiment werden die Forscher erstmals vorweg mit Neutronen bestrahlte Wandproben im Plasmadauerbetrieb untersuchen, um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, welchen Einfluss die Neutronenbestrahlung auf die Wandeigenschaften hat. Das Pilotexperiment PSI-2 dient auch dazu, die späteren Abläufe zu erproben und geeignete Standards zu entwickeln.

Da das Wandmaterial durch den Neutronenbeschuss unter anderem auch radioaktiv wird, muss es in Speziallabors untersucht werden, wie es sie nur an wenigen Forschungsstätten weltweit gibt. „Gepaart mit unserem Know-how in der Materialforschung und der Plasma-Wand-Wechselwirkung sind wir für diese Untersuchungen prädestiniert. Es gibt bisher weltweit kaum eine andere Forschungseinrichtung, die das auf diesem Niveau kann. Deshalb hat das Forschungszentrum Jülich diese innerhalb der europäischen Fusionsforschung als wichtig identifizierte Aufgabe übernommen”, sagt Schorn.
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