Day, Chr.

Glugla, M.

Janeschitz, G.

KITopen

In der evakuierten Brennkammereines Fusionsreaktors werden in ei-nem nuklearen Prozess – ähnlichdem in der Sonne – die Wasser-stoffisotope Deuterium und Tritiumunter Energiegewinn bei Tempe-raturen von etwa hundert MillionenGrad in einem durch sehr hoheMagnetfelder eingeschlossenenPlasma zu Helium verschmolzen.Dabei können die physikalisch-technischen Reaktionsbedingun-gen zur Energiefreisetzung inner-halb des Plasmas nur aufrecht er-halten werden, wenn der Gas-durchsatz sehr hoch ist und je-weils nur wenige Prozent des ein-gespeisten Deuteriums und Triti-ums durch die Fusionsreaktion ver-braucht werden. Die Brennstoffewerden daher im Fusionsreaktor ineinem geschlossenen Brennstoff-kreislauf prozessiert.Das in Abb. 1 rot illustrierte,schlauchförmige Plasma ist voneinem so genannten Brutblanket(gelblich) umhüllt. Unverbrauch-tes Deuterium und Tritium werdenzusammen mit dem Fusionspro-dukt Helium kontinuierlich überVakuumpumpen entfernt. In eineminneren Brennstoffkreislauf wirddieses Helium gemeinsam mitdurch Randprozesse gebildetenBegleitgasen abgetrennt und dasgewonnene Gemisch aus reinemDeuterium und Tritium direkt zurückgeführt. Während verbrauchtesDeuterium von außen ersetzt wirdmuss das radioaktive Tritium imBrutblanket der Reaktorbrennkam-mer selbst über Kernreaktionenaus Lithium gewonnen werden. Ineinem äußeren Brennstoffkreislaufwird das so erbrütete Tritium mitHilfe von Helium aus dem Blanketherausgespült, abgetrennt und inEinleitung19(19)Der ITER-Brennstoffkreislauf –Wasserstoffprozesstechnik für die FusionChr. Day, ITP; M. Glugla, HVT; G. Janeschitz, FUSIONNACHRICHTEN - Forschungszentrum Karlsruhe  Jahrg. 38  1-2/2006  S. 19–21Abb. 1: Der Brennstoffkreislauf eines Fusionsreaktors gliedert sich in einen inneren (rot) und äuße-ren Teil (blau).TritiumzufuhrDeuterium-zufuhrTritium-abtrennung Brennstoff-einlassGebläsePlasma-abgasHe-Spülgas + Tritiumaus dem BlanketVakuumpumpenPlasmaLi LiBeBrutblanket HeliumabfuhrTritiumreinigung und-abtrennungden inneren Brennstoffkreislaufeingeleitet.Die für den Umgang mit reguläremWasserstoff seit Jahrzehnten be-währten Techniken sind nur ein-geschränkt auf den Umgang mitDeuterium und dem radioaktivenTritium übertragbar. AusführlicheKenntnisse und Erfahrungen imBereich der fusionsspezifischenVakuumtechnik und der Tritium-technologie sind daher unabding-bare Voraussetzungen für den si-cheren und wirtschaftlichen Be-trieb eines Fusionsreaktors. Inner-halb des ForschungszentrumsKarlsruhe beschäftigen sich spe-ziell das Institut für TechnischePhysik (ITP) und das TritiumlaborKarlsruhe der Hauptabteilung Ver-suchstechnik (HVT) seit mehr als ei-ner Dekade mit diesen Technolo-gien. Beide Arbeitsgruppen könnenbis heute nicht nur auf umfangrei-che Forschungsergebnisse ver-weisen, sondern testen auch pro-totypische Komponenten für denderzeit im Bau befindlichen Expe-rimentalreaktor ITER [1].Das Tritiumlabor Karlsruhe (TLK) istdas einzige wissenschaftliche La-bor in der Europäischen Union wel-ches Tritium in technischem Maß-stab für fusionstypische Anwen-dungen hantieren kann. Das Laborverfügt über einen geschlossenenTritiumkreislauf mit verschiedenenSystemen und hat damit bereits invielerlei Hinsicht Ähnlichkeit mitder ITER-Tritiumanlage. Hier wiedort wird Tritium gespeichert, durchdie Handhabung mit Deuterium,Helium und anderen Begleitgasenvermischt und verunreinigt, in einerReinigungsanlage ein nur Was-serstoffisotope (Wasserstoff, Deu-terium und Tritium) enthaltendessauberes Gas erzeugt und letztlichin einer Isotopentrennungsanlagein reinster Form zurückgewonnen.Dabei muss das Tritium in allenPhasen aus ökonomischen undökologischen Gründen in ultra-dichten Apparaturen eingeschlos-sen und mit großer Präzision ge-messen und analysiert werden.Sowohl die Forschungsaktivitätenals auch die beim Betrieb der wis-senschaftlich technischen Infra-struktur des TLK gewonnenen Er-fahrungen haben die Planung desITER-Brennstoffkreislaufs bereitsentscheidend beeinflusst. Abb. 2zeigt in ausgewählten Bildern ei-nige in Handschuhkästen instal-lierte Tritiumsysteme.Das TritiumlaborKarlsruhe – Tritiumsicher eingeschlossen20(20)Abb. 2: Die Tritiummesstechnik (oben links), das zentrale Rückhaltesystem (un-ten links) und die Isotopentrennanlage (rechts) des TLK.Die hohen Brennstoffströme einerFusionsanlage sind eine beson-dere Herausforderung für die Va-kuumtechnik, da sowohl der Gas-durchsatz verkraftet werden alsauch ein Hochvakuum zwischenden Plasmaentladungen aufrechterhalten werden muss. Die zu-sätzlichen speziellen Anforderun-gen eines Fusionsexperimentesan die angeschlossenen Vakuum-systeme (Magnetfelder, Tritium-kompatibilität, Wartungsfreiheit)können dabei nur von großen, spe-zifisch entwickelten Kryopumpenerfüllt werden. Kryopumpen sind Vakuumpum-pen, die auf kryogenem Weg Va-kuum erzeugen. Sie nutzen dasPrinzip aus, dass alle Gase kon-Kryopumpen –heiße Gase kalt gefrorendensieren bzw. an den vorhande-nen Oberflächen adsorbieren,wenn die Temperaturen nur tiefgenug gewählt werden. Die Gasewerden gebunden, verschwindensomit aus der Gasphase und derGasdruck nimmt entsprechend ab.Die kalten Flächen der ITER-Kryo-pumpen sind mit speziellen Aktiv-kohlen beschichtet, die für diegleichzeitige Sorption von Heliumund den Wasserstoffisotopen op-timiert wurden. Kryopumpen zeichnen sich durchihre große Flexibilität im Designund ein sehr großes Saugvermö-gen bei einem sehr kleinen er-reichbaren Enddruck aus. Sie sinddaher perfekt für Anwendungen inder Kernfusion geeignet. Aus die-sem Grund werden sie nicht nurzum Pumpen der Brennkammerin allen dort vorkommenden Be-triebsmoden verwendet, sondernauch für andere plasmanahe Sys-teme (Plasmaheizung, Brennstoff-zufuhr). Ein weiterer Vorteil vonKryopumpen ist die Möglichkeit,sie in Form und Design optimalauf die gegebenen Platzverhält-nisse anpassen zu können. Dafürwurden am Forschungszentrumdie nötigen Auslegungswerkzeugeentwickelt, so dass jeder disku-tierte Designentwurf schnell undbegründet bewertet werden kann.Abb. 3 zeigt beispielhaft die ITER-Modellpumpe im Maßstab 1 : 2sowie eine kürzlich für das Max-Planck-Institut für Plasmaphysikentwickelte Kryopumpe zum Testder ITER-Neutralteilchen-Plasma-heizung. Dem Forschungszentrum Karls-ruhe fällt bei der Planung, demAufbau und der Inbetriebnahmeder Tritiumanlage von ITER eineSchlüsselrolle zu. Mit den For-schungsergebnissen aus mehr alszehn Jahren auf dem Gebiet derVakuum- und der Tritiumprozess-technik wurden die Voraussetzun-gen geschaffen, Systeme undKomponenten zuverlässig für ITERskalieren zu können. ZusätzlicheSchwerpunkte der Arbeitsfelderdes Tritiumlabors und der am In-stitut für Technische Physik betei-ligten Abteilungen werden nebenkonstruktionsbegleitenden For-schungsarbeiten auch Systemde-sign, Projektverfolgung und Ferti-gungsbegleitung bis hin zur Inbe-triebnahme von ITER sein. Dietechnologie-orientierten Beiträgeund die große Erfahrung des For-schungszentrums auf dem Gebietdes Brennstoffkreislaufs sind einSchlüsselelement zum Erfolg vonITER.[1]  http://www.iter.org/LiteraturAusblick21(21)Abb. 3: Beispiele für am Forschungszentrum ausgeführte Kryopumpen für dieKernfusion: Die zylindrische Modellpumpe für ITER (oben links mit Blick aufdie Ventilseite, unten beim Einbau) und die Rechteckpumpe für die Plasma-heizung (rechts).

Der ITER-Brennstoffkreislauf - Wasserstoffprozesstechnik für die Fusion

https://publikationen.bibliothek.kit.edu/120066583/3814869

Der ITER-Brennstoffkreislauf - Wasserstoffprozesstechnik für die Fusion

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