Einführung

Für die Leistungsfähigkeit von Fusionsanlagen ist die Entwicklung widerstandsfähiger Materialien von großer Bedeutung


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Verunreinigungen im Plasma: Tolerierbare Konzentration (gelbe Zone) unterschiedlicher chemischer Elemente im Plasma [weniger]

Das magnetisch eingeschlossene Plasma in einer Fusionsanlage wird von der „Ersten Wand“ umgeben, die in direktem Kontakt mit dem Plasma steht: Zum einen können geladene Plasmateilchen, die im magnetischen Käfig gefangen sind, ihre Ladung beim Zusammenstoß mit anderen Teilchen verlieren und entweichen. Auf der großen Fläche der Ersten Wand verursachen diese energiereichen Atome Erosionsprozesse, die möglichst klein gehalten werden müssen. Zum anderen kommt das Plasma aufgrund der Magnetfeldanordnung an der Oberfläche des Divertors in intensiven Kontakt mit der Wand. Die hohen Ionen- und Elektronen-Flüsse können zu starker Wärmebelastung und, je nach Betriebsbedingungen, auch zu deutlicher Erosion führen.

Für belastete Bauteile wurden weltweit in Experimentieranlagen vornehmlich Graphite und kohlefaser-verstärkte Kohlenstoffe eingesetzt. Denn leichte Materialien mit niedriger Kernladungszahl Z wie Kohlenstoff (Z = 6) werden, wenn sie als Verunreinigung ins Plasma gelangen, dort bis in Konzentrationen von einigen Prozent toleriert, ohne die Plasmaeigenschaften merklich zu verschlechtern. Gleiches gilt für Bor und Beryllium. Da diese „leichten“ Materialien jedoch leicht erodiert werden, muss in zukünftigen Fusionsreaktoren Wandmaterial mit hoher Kernladungszahl, insbesondere Wolfram (Z = 74) verwendet werden, das unter geeigneten Bedingungen kaum abgetragen wird. Andererseits darf Wolfram im Plasma auch nur in geringen Konzentrationen von 10 ppm enthalten sein. Untersuchungen mit ASDEX Upgrade haben jedoch gezeigt, dass der Betrieb mit einer vollständigen Wolfram-Wand möglich ist.
Wie weiter oben erwähnt, ist der Divertor besonderen Belastungen ausgesetzt: Durch eine spezielle Magnetfeldanordnung wird hier der energiereiche Teilchenfluss aus dem Plasma neutralisiert und abgepumpt. Dadurch entstehen auf den Divertoroberflächen extreme Leistungsflüsse in der Größenordnung von 10 MW/m² bei Wasserstoffteilchenflüssen von 1024m²s-1. Der Test von für diese Bedingungen optimierten Bauteildesigns und Materialien ist ein wichtiger Bestandteil des Projekts. Er erfolgt sowohl in speziell dafür vorgesehenen Laboreinrichtungen als auch direkt am Fusionsexperiment ASDEX Upgrade.

Zusätzlich werden die Materialien mit hohen Neutronenflüssen belastet. Die in einem brennenden Plasma entstehenden Neutronen laden einen Teil ihrer Energie in der Ersten Wand ab. Dabei erwärmt sich das Material und seine Atome  werden umgelagert. Zusätzlich wird das Material aktiviert und die entstehenden Umwandlungsprodukte, wie Wasserstoff- oder  Helium-Atome, beeinflussen das Materialverhalten. Durch geschickte Wahl der Elementzusammensetzung lässt sich die Neutronenaktivierung jedoch in engen Grenzen halten. Ebenso sind bereits gute Erfolge bei der Entwicklung von Materialien zu verzeichnen, die nur geringe Änderungen ihrer Eigenschaften unter Neutronenbestrahlung aufweisen.

 
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