Flüssiges Zinn als Divertormaterial

Als Alternative zu Feststoffen werden auch flüssige Metalle, wie z.B. Zinn, als Divertormaterialien in Fusionsreaktoren untersucht. In jüngsten Versuchen zeigte Zinn jedoch eine Reihe unerwarteter Effekte beim Kontakt mit Wasserstoffplasmen.

Die hohen Anforderungen an ein Divertormaterial könnten möglicherweise durch den Einsatz flüssiger Metalle, z.B. Zinn, erreicht werden. Während erste Prototypen sich in Wärmefluss-Tests bereits vielversprechend zeigten, ist die Wechselwirkung mit Wasserstoffplasmen bisher kaum erforscht. Eine kürzlich am IPP durchgeführte Versuchsreihe zeigte hier mehrere unerwartete und zum Teil dramatische Effekte. Knapp unterhalb des Schmelzpunkts bildet Zinn mit der Zeit eine dicke, schwammartige Schicht mit hohem Wasserstoffgehalt aus. Im flüssigen Zinn bilden sich Gasbläschen, die  durch Bewegung in der Flüssigkeit in tiefere Schichten der Zinn-Schmelze mitgerissen werden. Dadurch können sich Gastaschen im Flüssigmetall-Reservoir bilden, wie die Abbildung zeigt. Ähnlich wie Luft in einer Heizungsanlage könnten diese im schlimmsten Fall die Funktion des Flüssigmetall-Divertors empfindlich stören. Die Bildung und Ansammlung von Gasbläschen im Zinn muss also bei der weiteren Entwicklung der Technologie berücksichtigt und möglichst verhindert werden. Andererseits verbessert die Bestrahlung mit Wasserstoffplasmen auch die – meist schlechte – Benetzbarkeit des Trägermaterials (z.B. Wolfram) mit Zinn, was die Fertigung von Flüssig-Zinn-Divertorelementen deutlich vereinfachen könnte. Die Arbeiten wurden in der Zeitschrift Nuclear Fusion veröffentlicht (Manhard et al 2020 Nucl. Fusion https://doi.org/10.1088/1741-4326/aba801).

Nach dem Zünden des Plasmas (Leuchten) steigt die Oberfläche des flüssigen Zinns im Tiegel nach oben, weil sich darunter eine Wasserstoff-Gastasche bildet.

Flüssiges Zinn als Divertormaterial

Nach dem Zünden des Plasmas (Leuchten) steigt die Oberfläche des flüssigen Zinns im Tiegel nach oben, weil sich darunter eine Wasserstoff-Gastasche bildet.
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