5. Februar 2025
Wissenschaftler und Ingenieure aus acht Nationen haben erfolgreich den Einsatz von Lasern zur Oberflächenanalyse am Joint European Torus (JET) im britischen Culham demonstriert. Das EUROfusion-Expertenteam, zu dem auch Jülicher Wissenschaftler gehören, konnte so bewiesen, dass es sich um eine praktikable Technologie zur Messung der Rückhaltung von Fusionsbrennstoff in zukünftigen Fusionsmaschinen handelt.
Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) ist eine Analysetechnik, bei der ein Hochleistungslaser zur Messung der Zusammensetzung eines Materials verwendet wird. Bei dem Verfahren wird ein ultrakurzer Laserstrahl auf die Oberfläche einer Wandkachel oder eines Bauteils gerichtet. Dadurch entsteht ein lokales Plasma, das Atome, Ionen und freie Elektronen enthält. Diese senden charakteristisches Licht der Elemente aus, das wiederum von einem Spektrometer gemessen wird.
Die LIBS-Technik wird bereits in vielen Industriezweigen eingesetzt, in denen Menschen in schwierigen Umgebungen arbeiten und schnelle, umfassende chemische Analysen auf atomarer Ebene erforderlich sind. Zu den Anwendungen gehören geologische Analysen in der Weltraumforschung, die Diagnostik archäologischer Artefakte und die Untersuchung der Metalldiffusion in Solarzellen.
Für den Einsatz am JET wurden Änderungen vorgenommen, um die LIBS-Technologie an die unter Vakuumdruck stehende, ringförmige Umgebung der Anlage anzupassen - sie wurde kompakt, leicht, zuverlässig und robust gestaltet. So konnten Hunderte von Messungen im JET-Torus durchgeführt werden.
Für die aktuellen Messungen wurde der LIBS-Sensor auf MASCOT montiert, dem ferngesteuerten Robotersystem von JET, das für Wartungs-, Reparatur- und Diagnoseaufgaben in seiner radioaktiven Umgebung entwickelt wurde. Mit einem einzigen Laserschuss kann der Sensor alle chemischen Elemente in einem Bereich erkennen, und innerhalb gewisser Grenzen auch deren Isotope.
„Die LIBS-Einheit überträgt das gesammelte Licht durch einen 20 Meter langen Lichtwellenleiter in vier hochauflösende Spektrometer zur Spektralanalyse“, erklärt Rahul Rayaprolu vom Jülicher Institut für Plasmaphysik. „Ein Spektrometer liefert detaillierte Einblicke in dem im Wandmaterial eingelagerten Brennstoff, während ein kompaktes Breitbandspektrometer gleichzeitig den gesamten spektralen Bereich erfasst und aufzeichnet."
JET befindet sich seit Dezember 2023 in seiner Stilllegungsphase, bietet jedoch noch immer ein ideales Testfeld für die Entwicklung von Technologien für ITER und zukünftige Fusionskraftwerke. Nach den letzten Deuterium-Tritium-Experimenten können die Wissenschaftler nun gefahrlos wichtige Messungen von Tritium in den Kacheln und Komponenten durchführen.
Die Zusammenarbeit der EUROfusion-Experten zeigt das Potenzial für zukünftige gemeinsame Initiativen in den Bereichen Design, Sicherheit und Betriebseffizienz von Technologien für zukünftige Fusionsmaschinen und bildet eine Grundlage für die Weiterentwicklung des Brennstoffrückhaltemanagements.
