Gesucht: das richtige Wandmaterial für ITER
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Die Sonne macht es vor und setzt durch die Verschmelzung von Atomkernen Energie frei. Auch auf der Erde könnte die Kernfusion eine klimafreundliche Energiequelle werden. Die Machbarkeit dieser Technologie soll der Experimentalreaktor ITER (lat. „der Weg“) zeigen, der in weltweiter Zusammenarbeit im südfranzösischen Cadarache aufgebaut wird und 500 Megawatt Fusionsleistung haben soll. In zahlreichen Projektgruppen wird der Betrieb des Testreaktors vorbereitet. Um zum Beispiel die Wechselwirkung des Fusionsbrennstoffs mit der Wand der Brennkammer zu untersuchen, arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus über zwanzig Einrichtungen des Europäischen Fusionsprogramms zusammen.
Denn es muss gelingen, den Brennstoff – ein dünnes ionisiertes Wasserstoffgas im Plasmazustand – in einem Magnetfeldkäfig vor den Gefäßwänden in Schwebe zu halten und auf Zündtemperaturen über 100 Millionen Grad aufzuheizen. Das Wechselspiel zwischen dem extrem heißen Brennstoff und der Wand des umgebenden Gefäßes ist dabei eine der großen Herausforderungen für die Forschung. „Die Wand des Plasmagefäßes von ITER muss widerstandsfähig sein gegen die hohe Wärmebelastung, die bei Plasmainstabilitäten auftreten kann“, erklärt Dr. Rudolf Neu vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching, der stellvertretende Leiter der Projektgruppe.
„Außerdem soll sie möglichst geringe Mengen des radioaktiven Brennstoffbestandteils Tritium speichern, wenig Materialstaub erzeugen und unempfindlich sein gegen die Materialvermischungen, die entstehen, wenn Wandmaterial durch Plasmateilchen abgetragen und dann an anderen Wandstellen wieder abgelagert wird.“ Einen Großteil der Probleme könnte man mit dem Wandmaterial Wolfram umgehen. Die IPP-Fusionsanlage ASDEX Upgrade in Garching ist weltweit die einzige Anlage, die mit einer Wand experimentieren kann, die vollständig mit dem Metall Wolfram bedeckt ist – und die ersten Ergebnisse sind vielversprechend.
Der Hintergrund: Energiereiche Plasmateilchen können 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 aber noch an die Atomkerne gebunden sind, desto mehr Energie entziehen sie dem Plasma und strahlen sie als Ultra-violett- 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, Chrom oder gar Wolfram sehr viel niedriger. Heutige Anlagen nutzen deshalb für die Wand durchweg leichte Materialien wie Beryllium oder Kohlenstoff.
Auch für die Wand des Testreaktors ITER sind diese beiden Materialien vorgesehen. In der Großanlage ITER ist dies allerdings nicht mehr problemlos: Zum Beispiel ist die Zerstäubung von Kohlenstoff oder Beryllium bei Beschuss mit Wasserstoff relativ hoch. Bei den hohen Wasserstoff-Flüssen aus dem großen ITER-Plasma käme es daher zu starkem Materialabtrag. Eine Wolfram-Wand würde die Probleme der leichten Elemente vermeiden: Das Metall besitzt vorteilhafte thermische Eigenschaften, geringe Zerstäubung durch Wasserstoff und zeigt keine langfristige Einlagerung von Tritium. Es bleibt jedoch die Frage, wie viele der schweren Wolfram-Teilchen in das Plasmazentrum vordringen können. Über einige Hunderttausendstel darf ihr Anteil im ITER-Plasma nicht steigen.
Das Garchinger Experiment ASDEX Upgrade ist Pionier beim Testen von Wolfram als Wandmaterial: Trotz schlechter Erfahrungen andernorts hatte man hier schon 1996 damit begonnen, spezielle Partien der ansonsten komplett mit Kohlenstoff-Kacheln bedeckten Wand mit Wolfram zu beschichten. Man setzte dabei auf den kalten Plasmarand von ASDEX Upgrade, der sich ähnlich wie beim späteren ITER verhält. Vor zwei Jahren begannen die Experimente mit einer reinen Wolfram-Wand – mit Erfolg: Die Wolframkonzentration blieb unter der kritischen Schwelle, die gewünschten Plasmazustände ließen sich mit nur geringem Qualitätsverlust einstellen. Nun geht es darum, die Wolfram-Verträglichkeit in ITER-relevanten Plasmazuständen genau zu prüfen. An der doppelt so großen Anlage JET, dem „Joint European Torus“ in Großbritannien, sind dazu Vergleichsexperimente geplant, um die Ergebnisse umso sicherer auf den nochmals größeren ITER übertragen zu können.
