Neues System regeneriert die Schutzschicht des Tokamak-Innenraums, ohne ihn abzuschalten

Forscher des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) haben gezeigt, dass ein von ihnen entwickeltes System zur Zuführung von Borpulver zu einem Fusionsreaktor die Reaktorwände kontinuierlich schützen und eine Verschlechterung des Plasmas verhindern kann. Seine allmähliche Verunreinigung durch Wolfram ist der gesamten Reaktion abträglich und stellt ein Hindernis für den Bau eines praktischen Fusionsreaktors dar.

Die Kernfusion ist eine Möglichkeit, billige, saubere und sichere Energie zu erzeugen. Aufgrund zahlreicher technischer Schwierigkeiten ist es der Menschheit jedoch noch nicht gelungen, einen Fusionsreaktor zu bauen, der mehr Energie erzeugt, als ihm zugeführt wird, und den Reaktionsprozess über einen langen Zeitraum aufrechtzuerhalten.

In Fusionsreaktoren - der häufigste Typ ist der Tokamak - wird zunehmend Wolfram verwendet. Das liegt daran, dass dieses Element sehr widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen ist. Das Plasma kann jedoch die Wolframwände des Reaktors beschädigen, was dazu führt, dass Wolfram in das Plasma eindringt und dieses verunreinigt. Bor schützt das Wolfram vor negativen Auswirkungen und verhindert, dass es in das Plasma eindringt. Darüber hinaus absorbiert es unerwünschte Elemente wie Sauerstoff, die aus anderen Quellen in das Plasma eindringen können. Diese Elemente können zu einer Abkühlung des Plasmas und zu einem Abbruch der Reaktion führen.

Bild Quelle: Wikipedia ; Quelle

Wir brauchten eine Möglichkeit, den Reaktor mit Bor zu beschichten, ohne das Magnetfeld des Tokamaks abschalten zu müssen, und unser System bietet diese Möglichkeit", sagt Grant Bodner vom PPPL. Die Experimente wurden im W Environment in Steady-State Tokamak (WEST) durchgeführt, der von der französischen Kommission für alternative Energien und Atomenergie (CEA) betrieben wird. WEST - dessen erster Buchstabe des Namens vom chemischen Symbol für Wolfram abgeleitet ist - ist einer der wenigen Tokamaks, dessen Wände vollständig aus Wolfram bestehen. Außerdem zeichnet sich dieses Gerät durch rekordverdächtig lange Reaktionszeiten aus. Es wurde auch deshalb als Versuchsstandort ausgewählt, weil seine supraleitenden Magnete aus einem Material bestehen, das für den Bau von Magneten für künftige Fusionsreaktoren verwendet wird.

Die Kernfusion (Fusionsreaktion) ist ein Prozess, der auf der Sonne abläuft. Es handelt sich um die Verschmelzung leichterer Elemente mit schwereren, wobei große Mengen an Energie erzeugt werden. Um die Fusion durchzuführen, sind sehr hohe Temperaturen erforderlich. Und gerade diese hohen Temperaturen stellen ein großes Problem dar. Sie erreichen Millionen von Grad und stellen eine Gefahr für die Materialien des Reaktors dar. Aus diesem Grund wird das hitzebeständige Wolfram zum Schutz mit Bor beschichtet. Die Bedingungen im Inneren des Reaktors sind jedoch extrem und die Schutzschicht nutzt sich ab. Sie muss erneut aufgetragen werden. Daher musste ein Verfahren entwickelt werden, mit dem die Beschichtung wiederhergestellt werden konnte, ohne dass der Reaktor häufig abgeschaltet werden musste. Bor in einen funktionierenden Tokamak einzubringen ist so, als würde man seine Wohnung putzen, ohne seine tägliche Routine zu unterbrechen. Das ist sehr hilfreich, da man so keine zusätzliche Zeit für die Reinigung aufwenden muss, erklärt Alberto Gallo von CEA anschaulich.

Das von den Amerikanern entwickelte Gerät wird oben auf dem Tokamak montiert. Es verwendet Präzisionsaktuatoren, um Pulver aus den Trichtern in die Vakuumkammer des Tokamaks zu befördern. Der verwendete Mechanismus ermöglicht es, die Menge und die Geschwindigkeit der Pulverausbringung genau einzustellen. Das Gerät ist vielseitig und kann nicht nur mit Bor, sondern auch mit anderen Materialien arbeiten. Es wird daher auch in anders konstruierten Fusionsreaktoren von Nutzen sein. Das könnte in Zukunft sehr nützlich sein, sagt Bodner.

Die Ergebnisse der Experimente haben die Entwickler des Geräts selbst überrascht. Es stellte sich heraus, dass das eingespritzte Bor nicht nur das Wolfram schützte. Wir stellten fest, dass sich der Einschluss des Plasmas erhöhte, wenn wir das Pulver hineinwarfen, so dass es eine höhere Temperatur hatte, was die Reaktion begünstigte, fügt Bodner hinzu. Dieses Phänomen war besonders hilfreich, weil es ohne das Auftreten eines ungünstigen H-Mode auftrat. Dabei handelt es sich um einen Zustand, in dem der Plasmaeinschluss erheblich zunimmt, wodurch eine Randplasma-Instabilität (ELMs - Edge Localised Modes) droht. ELMs wiederum führen zu einer Wärmeableitung außerhalb des Plasmas, wodurch die Effizienz der Gesamtreaktion sinkt und die Gefahr besteht, dass Reaktorkomponenten beschädigt werden. Es ist eine großartige Neuigkeit, dass wir in der Lage sind, einen ebenso guten Plasmaeinschluss wie im H-Mode zu erreichen, ohne jedoch in den H-Mode zu gehen und die Entstehung von ELMs zu riskieren, schwärmt Bodner.

Für die nahe Zukunft planen die Wissenschaftler Experimente, in denen sie testen wollen, wie viel des zugeführten Bors tatsächlich eine Schutzschicht auf den Reaktorwänden bildet. Dieses Wissen wird es ihnen ermöglichen, die Funktionsweise des Pulverförderungssystems zu optimieren.