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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Plasma-Wand-Wechselwirkung - ein Schlüsselthema auf dem Weg zum Fusionskraftwerk

Um Energie aus Fusion zu gewinnen, benötigt man ein 100 Millionen Grad heißes Plasma. Mit Hilfe von starken Magnetfeldern schützt man die Wand und reduziert zwar die Wechselwirkung des Plasmas mit den Wänden einer Fusionsanlage, es verbleiben aber immer noch erhebliche und grundsätzlich unvermeidbare Belastungen. Daher ist das Thema Plasma-Wand-Wechselwirkung schon von Anbeginn im Fokus der Fusionsforschung - insbesondere in Jülich ist es heute das zentrale Thema.

Die Fusionsforschung hat mit der Erprobung einer Reihe sehr unterschiedlicher Konzepte zur Erzeugung und Einschließung von Hochtemperaturplasmen einen langen Weg hinter sich. Dabei hat sich das magnetische Einschlusskonzept des Tokamaks als bisher am erfolgreichsten erwiesen. In den letzten Jahrzehnten wurde durch den Betrieb moderner Tokamaks unterschiedlicher Größe und Form eine umfangreiche Datenbasis erstellt, die nun eine solide Grundlage bildet für den Bau der nächsten Generation von Fusionsexperimenten. So entsteht zurzeit in internationaler Zusammenarbeit in Cadarache im Süden von Frankreich das große Fusionsexperiment ITER. Mit ITER wird bei einer Leistung von 500 MW erstmals zehnmal mehr Energie aus Fusion gewonnen, als durch externe Heizung in das Plasma eingebracht wird. Die Plasmapulse werden jedoch zunächst nur eine Dauer von jeweils etwa 8 Minuten erreichen.

Als besonders wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem ersten Fusionskraftwerk muss ITER aber auch von einer Reihe weiterer ergänzender Forschungseinrichtungen begleitet werden. Dabei spielen kleinere flexible Testanlagen eine wichtige Rolle. Als wichtigste Alternative zum Tokamakkonzept ist die magnetische Einschlussmethode des Stellarators zu nennen. Nach diesem Prinzip entsteht zurzeit in Greifswald mit Wendelstein 7-X das weltweit größte und modernste Stellaratorexperiment. Wendelstein 7-X kann im Gegensatz zu ITER kontinuierlich betrieben werden. Allerdings ist die Stellaratorentwicklung insgesamt noch mindestens eine Generation hinter dem Tokamak zurück. Die Prinzipien der Plasma-Wand-Wechselwirkung sind bei beiden Einschlussmethoden gleich.

Ein Fusionskraftwerk stellt einige Anforderungen, die im Experiment ITER noch keine Rolle spielen. Während die Plasmen in ITER gepulst erzeugt werden, muss ein Kraftwerk für Monate kontinuierlich laufen. Die Realisierung eines solchen Dauerbetriebs stellt die größte verbleibende Herausforderung der Fusionsforschung dar, wobei die Beherrschung der Plasma-Wand-Wechselwirkung in entscheidendem Maße die Verfügbarkeit und damit letztlich die Effizienz und den wirtschaftlichen Erfolg eines zukünftigen Fusionskraftwerks bestimmt.

Die Herausforderung

Energie aus Fusion basiert auf der Verschmelzung der Wasserstoffisotope Deuterium (D) und Tritium (T)

D + T → He4 + n

Schema Deuterium-Tritium-Fusion

Dabei wird pro Reaktion eine Energie von 17.6 MeV oder 2.8 10-12 J frei, die sich als kinetische Energie auf den Heliumkern (alpha-Teilchen 3.5 MeV ) und ein freies Neutron (14.1 MeV) verteilt. Deuterium, welches man im natürlichen Wasserstoff mit einer Häufigkeit von 1:6000 findet, kann einfach aus Wasser gewonnen werden. Dagegen muss das instabile Tritium (Halbwertszeit 12 Jahre) über eine Kernreaktion erzeugt werden. Das freiwerdende Neutron kann zu diesem Zweck eingesetzt werden und über die Reaktionen

Li6 + n → T + He4 und Li7 + n → T + He4 + n

in den die Reaktorbrennkammer umgebenden Brutblankets Tritium aus Lithium erbrüten. Demzufolge werden mit der kontrollierten Kernfusion die Rohstoffe Deuterium und Lithium als neue Primärenergiequelle der Menschheit erschlossen.

Die hohe Energie der Fusionsprodukte wird in den Wänden auf Wärmetauscher übertragen und mittels Dampf  auf konventionelle Weise zur Stromerzeugung genutzt.

Schemazeichnung Fusionskraftwerk

Die Neutronen tragen  80 % der freiwerdenden Energie und deponieren diese tief in den Wänden, ohne weitere Wechselwirkung mit dem Plasma. 20% der Energie wird von den Heliumkernen an das Plasma zur dessen Aufheizung abgegeben. Dieser Teil der Energie muss über die Wechselwirkung des Plasmas mit der Wand zur Nutzung nach außen abgeführt werden.  

Darüber hinaus ist auch die Abfuhr der Heliumteilchen über die Wechselwirkung mit der Wand wichtig. In ITER z.B. werden pro Sekunde etwa 2x1020 Heliumatome durch Fusion erzeugt. Das entspricht einem Milligramm Helium pro Sekunde, welches im Gleichgewicht kontinuierlich abgepumpt werden muss. 

Mit dieser Energie- und Teilchenabfuhr sind Belastungen der Wand verbunden, zu deren Beherrschung es verschiedene Konzepte gibt. Ein sehr wichtiges Konzept ist das Prinzip des Divertors, der in ITER eine große Rolle spielt. Das einschließende Magnetfeld wird am Plasmarand in den Divertor abgelenkt und leitet dadurch die Plasmateilchen gezielt auf für extreme Belastungen besonders geeignete Wandkomponenten (Targetplatten). Zusätzlich bildet sich im Divertor ein Neutralgasdruck aus Deuterium, Tritium, Helium und anderen Verunreinigungen, der das effiziente Abpumpen dieser Teilchen erlaubt.

Querschnitt ITER Tokamak mit Bauteilen

Die Wärmebelastungen können auf bestimmten Teilen der Wand sehr hoch sein. Der Wärmefluss wird entlang der magnetischen Feldlinien in einem schmalen Bereich von nur wenigen Zentimetern radialer Ausdehnung auf eine relativ kleine Fläche auf den Targetplatten konzentriert. Die effektiv zu diesem Zweck zur Verfügung stehende Gesamtfläche beträgt in ITER nur etwa fünf Quadratmeter, was zu Spitzenlasten von bis zu 10 MW/m2 führen kann. Dagegen wird die ca. 700 Quadratmeter große Wand im Hauptraum vornehmlich über  elektromagnetische Strahlung (Licht) nur mit ca. 0,1 MW/m2 belastet.

Besonders kritisch für die Wandkomponenten sind allerdings zusätzliche kurzzeitige Spitzenbelastungen durch Plasmainstabilitäten, wie etwa Plasmaabbrüche (Disruptionen) oder Randschichtinstabilitäten (ELMs). Plasmaabbrüche können in der Nähe operativer Grenzen eines Tokamaks (z.B. maximale Plasmadichte oder Plasmadruck) auftreten und die gesamte gespeicherte Plasmaenergie in kurzer Zeit – in wenigen Millisekunden – auf die Wände abgeben. Die bei solchen Instabilitäten auftretenden lokalen thermischen Spitzenlasten können zum Aufschmelzen oder zur Rissbildung bei den Wandkomponenten führen und damit deren Lebensdauer beschränken.

Erosionsprozesse an plasmabelasteten Wandkomponenten spielen für die Verfügbarkeit einer Fusionsanlage eine große Rolle. Die vorherrschenden Erosionsprozesse sind physikalische Zerstäubung und chemische Reaktionen, die an den Teilchenfluss aus dem Plasma und dessen Energie gekoppelt sind. Einige Erosionsprozesse sind eine direkte Folge kritischer Wärmeflüsse, wie Schmelzen oder Sublimation von Wandmaterial. Die physikalische Zerstäubung von Wandmaterial wird durch Energie- und Impulsübertrag energiereicher Plasmateilchen bewirkt – mit effektiven Ausbeuten von einigen Prozent bei Kohlenstoff und sehr viel kleineren Werten für schwere Metalle wie Wolfram. Für einige Wandmaterialien wie etwa Kohlenstoff sind auch chemische Erosionsprozesse entscheidend, die durch die Oberflächentemperatur des Materials bestimmt werden.

Erosionsprozesse setzen Teilchen frei, die in das Plasma gelangen und die dort ionisiert oder dissoziiert werden. Über Transportprozesse im Plasma werden diese Teilchen schließlich wieder auf die Wand zurückgeführt, im Idealfall zurück zu ihrem Ursprungsort. Beim Wasserstoff, der an der Targetplatte neutralisiert wird und als Atom oder Molekül wieder in das Plasma zurückkehrt, nennt man diesen Prozess Recycling. Kritisch dabei ist der mögliche Einfang von Tritium in Oberflächenschichten an den Wänden, weil es für die Menge an gespeichertem Tritium aus Sicherheitsgründen eine Obergrenze gibt.

Die Beherrschung der Plasma-Wand-Wechselwirkung hat immer zwei Aspekte. Erstens über die Optimierung der Plasmaeigenschaften vor der Wand und zweitens durch die Wahl bzw. Entwicklung geeigneter Wandmaterialien. D.h. Plasmaphysik und Materialforschung sind die wichtigen Teile dieses Forschungsbereichs. Bei der Materialforschung geht es um Materialeigenschaften, insbesondere auch Materialkombinationen, um das Verständnis von Schädigungsprozessen und deren Einfluss auf Materialeigenschaften. Verglichen mit den Anforderungen bei heutigen Fusionsexperimenten werden die Belastungen in einem Fusionskraftwerk noch deutlich höher sein. Insbesondere die Belastung durch intensive Neutronenbestrahlung bringt neue Herausforderungen mit sich, auf die wir mit unseren heutigen Forschungsprogrammen eingehen müssen. Angesichts der Probleme bekommt die Entwicklung alternativer Materialien einen hohen Stellenwert.

Forschungsthemen und Projekte in Jülich

Das Forschungsfeld der Plasma-Wand-Wechselwirkung ist interdisziplinär und umfasst neben der Plasmaphysik auch Oberflächenphysik, Atom- und Molekülphysik, Chemie sowie die Materialwissenschaften.

Es ist das zentrale Thema der Fusionsforschung in Jülich und umfasst sowohl beide Aspekte - Plasmaphysik und Materialforschung  - sowie Grundlagenfragen in Laborexperimenten, den Betrieb von hochspezialisierten Testanlagen bis hin zur Beteiligung an den Großexperimenten (JET, ITER, Wendelstein 7-X u.a.). Theorie und Modellentwicklung bilden dabei eine wichtige Klammer und sind vor Allem bei der Extrapolation der Erkenntnisse zu einem ersten Fusionskraftwerk (Projektname DEMO) entscheidend. Dieses Aufgabenspektrum spiegelt sich in den Jülicher Forschungsthemen und Projekten wider:

  • Plasma-Wand-Wechselwirkung an linearen Plasmaanlagen

    Lineare Plasmaanlagen und auch andere Testeinrichtungen für die Untersuchung von Wandbelastungen repräsentieren die wichtige Infrastruktur für die in Jülich basierten Untersuchungen zur Plasma-Wand-Wechselwirkung. Eine weltweite Besonderheit besteht in der Möglichkeit, diese Untersuchungen auch unter nuklearen Bedingungen (neutronenbestrahlte Materialien) durchzuführen.

  • Materialien und Komponenten

    Die heute zur Verfügung stehenden Materialien werden bei den extremen Belastungen hart an die Grenze ihrer Möglichkeiten gebracht. Mit den noch höheren Belastungen in einem zukünftigen Fusionskraftwerk steigen die Anforderungen noch einmal deutlich. Daher wird intensiv an alternativen Materialien oder Materialkompositen geforscht.

  • JET

    Der weltweit größte Tokamak JET in Culham bei Oxford, England, ist ein Gemeinschaftsprojekt aller europäischen Fusionslabors. An JET wurden die bisherigen Rekordwerte der Energiegewinnung aus Fusion erreicht. Das Forschungszentrum beteiligt sich an der wissenschaftlichen Nutzung von JET. Das gilt insbesondere für die Erprobung der neuen ITER-ähnlichen Wand, an deren Realisierung Jülich einen großen Anteil hatte.

  • ITER

    In internationaler Zusammenarbeit entsteht bis 2020 in Cadarache im Süden von Frankreich das große Fusionsexperiment ITER. ITER wird erstmals mit einer Leistung von 500 MW einen signifikanten Energiegewinn aus Fusion demonstrieren und wichtige Daten liefern für die Konstruktion eines ersten Fusionskraftwerks. Der europäische Beitrag zum Bau von ITER wird über die Agentur Fusion4Energy in Barcelona koordiniert. Das Forschungszentrum trägt hier mit dem Design und Bau von wichtigen Messapparaturen bei.

  • Wendelstein 7-X

    In Greifswald entsteht zurzeit mit Wendelstein 7-X der weltweit größte Stellarator. Das Stellarator-Prinzip stellt beim magnetischen Einschluss von Fusionsplasmen eine vielversprechende Alternative zum Tokamak dar, da es einen stationären Plasmabetrieb erlaubt. Jülich hat bereits mit dem supraleitenden Bussystem für die Spuleneinspeisung zum Aufbau des Greifswalder Experiments beigetragen und wird sich nun durch ein eigenes Forschungsprogramm im Bereich der Plasma-Wand-Wechselwirkungen an der wissenschaftlichen Nutzung von Wendelstein 7-X beteiligen.

  • DEMO

    ITER soll der letzte Schritt vor dem Bau eines ersten Fusionskraftwerks sein. Mit fortschreitendem Bau und der späteren Nutzung von ITER wird sich die Fusionsforschung zunehmend auf diesen nächsten Schritt konzentrieren. Unter dem Projektnamen „DEMO“ werden bereits heute alle Herausforderungen jenseits von ITER zusammengefasst und in Europa koordiniert bearbeitet. In diesem Bereich trägt Jülich mit seiner Expertise in Plasma-Wand-Wechselwirkung und Diagnostik bei.

  • Theorie und Modellierung

    Eine Extrapolation heutiger experimenteller Ergebnisse auf ein Fusionskraftwerk gelingt nur mit Hilfe von theoretisch fundierten numerischen Modellen.  Zu dieser wichtigen Aufgabe trägt Jülich durch die Entwicklung von Computercodes zur Beschreibung des wandnahen Plasmas und der Prozesse der Plasma-Wand-Wechselwirkung bei.

  • TEXTOR - 30 Jahre

    Von 1983 bis 2013 wurde das Tokamakexperiment TEXTOR in Jülich betrieben. In dieser Zeit wurden mit TEXTOR eine Fülle wichtiger Entwicklungen angestoßen und viele Erkenntnisse erlangt mit Auswirkung auf den weiteren Fortschritt der Fusionsforschung. Die in dieser Zeit an TEXTOR erarbeitete Expertise, insbesondere im Bereich der Plasma-Wand-Wechselwirkung, stellt heute die Grundlage für alle zukünftigen Arbeiten in Jülich dar. Die Beendigung des TEXTOR Experiments ist letztendlich auch Ausdruck des Fortschritts in der Fusion, da nun die Großanlagen wie ITER und Wendelstein 7-X die bisherige Rolle der mittelgroßen Experimente übernehmen.


Kontakt

Prof. Dr. Ulrich Samm

Telefon 02461 61-3085
Telefax 02461 61-5452
u.samm@fz-juelich.de

Prof. Dr. Christian Linsmeier

Telefon 02461 61-3086
Telefax 02461 61-5452
ch.linsmeier@fz-juelich.de


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