Broschüre "Kernfusion" - KIT - PL FUSION

Im äußeren Brennstoffkreislauf (blau)
wird das Tritium, das im Blanket durch
Neutroneneinfang aus Lithium erbrütet
wurde, durch das Spülgas Helium
extrahiert, abgetrennt und in den
inneren Brennstoffkreislauf eingespeist.
Wegen der kurzen Halbwertszeit des
Tritiums von nur etwa 12,3 Jahren ist
seine Strahlung vergleichsweise intensiv,
wenngleich Tritium der energetisch
schwächste bekannte natürliche
Beta-Strahler mit einer maximalen
Energie von nur 18,6 Kiloelektronenvolt
ist. Dementsprechend
beträgt die größtmögliche Reichweite
der Strahlung in atmosphärischer
Luft nur 6 Millimeter, in Metallen
nur etwa 1 Mikrometer. Bauteile aus
organischen Materialien wie zum
Beispiel Dichtungen werden allerdings
innerhalb kurzer Zeit durch
Tritium zersetzt. Grundsätzlich müssen
daher Tritium führende Systeme
ganzmetallisch und ultrahochvakuumdicht
ausgelegt werden. Auch die
Verwendung ölgeschmierter oder gar
ölgedichteter Pumpen in Tritium führenden
Systemen ist nicht möglich.
Eine weitere Schwierigkeit im Umgang
mit Tritium ist seine Eigenschaft,
Metalle oberhalb einer bestimmten
Temperatur (zum Beispiel
Edelstahl oberhalb 150 bis 200 Grad
Celsius) zu durchdringen, in der Fachsprache
„Permeation“ genannt. Heißgehende
Komponenten des Brennstoffkreislaufs
müssen daher zusätzlich
mit einem äußeren Behälter
umgeben werden. Die periodische
Evakuierung des Zwischenraums
sorgt für eine gute thermische Isolierung
der geheizten Komponente und
erlaubt gleichzeitig die Rückgewinnung
des permeierten Tritiums. Die
Wand des äußeren Behälters bleibt auf
niedriger Temperatur und verhindert
so wirksam die Permeation von Wasserstoffisotopen
nach außen.
Die Aufrechterhaltung einer Fusionsreaktion
hängt stark von der Reinheit
des Deuterium-Tritium-Plasmas im
Plasmabehälter ab. Jegliche Verunreinigung
führt zu Strahlungsverlusten
durch Bremsstrahlung und damit
zum Erlöschen der Fusionsreaktion.
Dieser Effekt verstärkt sich deutlich
mit steigender Ordnungszahl der auftretenden
Teilchen. Deshalb muss das
Plasmagefäß zunächst evakuiert, auf
Dichtheit geprüft und die Wände für
Ultrahochvakuumstandards konditioniert
werden.
Wenn das Plasma brennt, besteht die
Hauptaufgabe der Vakuumpumpen
darin, das Fusionsprodukt Helium
durch kontinuierliches Absaugen des
Plasmaabgases auf einer Konzentration
von maximal 3 bis 5 Prozent
zu halten. Neben Helium besteht das
Plasmaabgas zum überwiegenden
Teil aus nicht verbrannten Wasserstoffisotopen
sowie aus unerwünschten
Verunreinigungen, die durch
Wechselwirkung der Plasmapartikel
mit der ersten Wand entstehen. Bei
Verwendung von Graphitziegeln entstehenKohlenwasserstoffverbindungen.
Zu erwarten sind auch Oxide wie
DTO, CO, CO 2 aus chemisorbiertem
Sauerstoff, der beim Konditionieren
nicht komplett aus der Wand ausgetrieben
wurde. Die zunächst noch
ionisierten Teilchen des Plasmaabgases
werden durch geeignete Magnetfelder
aus dem Spalt zwischen
Plasmarand und erster Wand ausgeleitet
und auf die Divertorplatten
geführt. Dort werden sie neutralisiert
und zu Molekülen rekombiniert, die
in der Lage sind, das magnetische
Einschlussfeld zu verlassen. Hinter
den Divertoren befinden sich radial
verlaufende Kanäle, an deren Ende
die Vakuumpumpen installiert sind.
Bei jeder Fusion eines Deuteriummit
einem Tritiumkern entsteht ein
Helium-Atomkern. Der abzupumpende
Massenstrom an Helium ist daher
proportional zur Leistung des Kraftwerkes.
ITER zum Beispiel mit einer
Leistung von 500 Megawatt ist auf
einen Gesamtabgasstrom von etwa 2
Liter pro Sekunde bei Normaldruck
ausgelegt, der mit einem Druck von
0,1 bis 10 Pascal am Pumpeneinlass
ansteht. Dafür ist ein extrem hohes
Saugvermögen des Vakuumsystems
nötig. Am Ort der Pumpen herrschen
hohe Magnetfelder, die in schnell
laufenden Rotoren Wirbelströme erzeugen.
Zudem müssen die Pumpen
auch unter mechanischen Erschütterungen
störungsfrei arbeiten, die zum
Beispiel von Disruptionen ausgelöst
werden. Für diese Anforderungen
sind keine handelsüblichen Vakuumpumpen
verfügbar, sondern es sind
spezielle Entwicklungen nötig.
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