Broschüre "Kernfusion" - KIT - PL FUSION

3.4. Der Divertor
Der Divertor baut sich im Wesentlichen
aus den thermisch hochbelasteten
Divertor-Prallplatten und der
Divertorstruktur auf. Seine Hauptfunktion
besteht darin, die „Fusionsasche“
– Helium, unverbranntes Deuterium
und Tritium sowie Verunreinigungen
– aus dem Plasma zu entfernen
und die im Divertorraum ankommende
Fusionsenergie – etwa 15 bis
20 Prozent der insgesamt vom Plasma
abgestrahlten Wärmeleistung –
abzuführen.
Seine genaue Position im Plasmagefäß
eines Kraftwerks ist abhängig
von der Gestalt des Magnetfeldes,
welches das Plasma einschließt. Er
befindet sich an der tiefsten oder
auch höchsten Stelle des Vakuumbehälters.
Zusammen mit dem Blanket
bildet er eine geschlossene Mantelfläche
um das Plasma und wirkt daher
auch als Schutzschild vor Neutronenbeschuss
für den Vakuumbehälter
und für die dahinter liegenden supraleitenden
Magnete.
Der Divertor wird zur leichteren
Handhabung und Wartung in einzelne
Kassetten unterteilt. In Abb. 8 ist eine
solche Kassette dargestellt. Jede besteht
aus den Prallplatten, dem Dom,
der die Absaugöffnung enthält, und
der Struktur, die die Leitungen zur
Verteilung des Kühlmittels aufnimmt.
Die Prallplatten werden mit
einer „Opferschicht“ aus Wolfram
oder Wolfram-Legierungen, bei ITER
auch Wolfram mit Kupfereinlagen,
Abb. 8:
Prinzipielles Design eines
mit Helium gekühlten Divertors
(Grafik: FZK)
hergestellt. Sie sind in Verlängerung
der äußersten Magnetfeldlinien positioniert,
entlang derer der Wärmeeintrag
und die Fusionsasche auf die
Prallplatten gelenkt werden.
Die ankommenden Plasmateilchen
besitzen eine hohe kinetische Energie,
die beim Aufschlag in thermische
Energie umgewandelt wird und
über mechanische und thermische
Effekte zur Erosion führt. Die Oberflächen
der Prallplatten sind also
Verschleißteile, daher der Ausdruck
„Opferschicht“. Sie erreichen eine
Lebensdauer von voraussichtlich bis
zu zwei Jahren, dann müssen sie ausgewechselt
werden.
Die Wärmelast, die über den Divertor
abgeführt werden muss, ist im Vergleich
zu sonstigen technisch relevanten
Wärmeleistungsdichten sehr
hoch. Eine ausreichende Kühlung des
Divertors ist daher notwendig, um
ein Überhitzen und damit ein Versagen
des Bauteils zu verhindern.
Gleichzeitig spielt diese Energie auch
für die Gesamtbilanz des Kraftwerks
eine Rolle und soll wirtschaftlich
sinnvoll genutzt, d. h. der Stromerzeugung
zugeführt werden.
Als Kühlmittel sind prinzipiell Wasser,
Helium oder auch Flüssigmetall
geeignet. Helium bietet jedoch den
Vorteil, chemisch und neutronisch
inert zu sein, zudem können höhere
Temperaturen erreicht werden, was
den Wirkungsgrad des Gesamtkraftwerks
um etwa 1 Prozent verbessern
kann. Helium kann zudem direkt in
den Stromgewinnungsprozess eingekoppelt
werden. Vor allem aber dient
es der Sicherheit: Anders als Helium
kann Wasser mit Beryllium reagieren
und dabei Wasserstoff freisetzen. Der
heliumgekühlte Divertor wird daher
am Forschungszentrum Karlsruhe
weiter entwickelt (siehe Kap. 7.3.4).
Die hohe Wärmeleistungsdichte erfordert
eine sorgfältige Divertorauslegung
unter enger Verknüpfung von
Fertigungstechnologie und Materialprozesstechnik,
insbesondere in Bezug
auf das Schutzschichtmaterial
auf Wolfram-Basis und auf das Strukturmaterial
auf Basis von niedrigaktivierbarenferritisch-martensitischen
Stählen.
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