Materialien und Komponenten

Als "erste Wand" wird die Oberfläche der Reaktor-Innenwand bezeichnet. Sie steht im direkten Kontakt mit der Randschicht des Plasmas und ist damit unmittelbar dem Einfluss des Plasmas ausgesetzt.

Das bedeutet, dass dort sehr hohe Temperaturen bis zu 1000 °C zu erwarten sind. Zudem ist der magnetische Einschluss der Ionen im Plasma nicht perfekt, so dass die Oberfläche der ersten Wand zusätzlich einem ständigen Beschuss mit Ionen aus dem Plasma ausgesetzt ist. Bei Fusionsreaktionen von  Deuterium- und Tritiumatomen werden Neutronen mit hohen Bewegungsenergien frei. Diese Neutronen sind die größten Träger der Fusionsenergie, welche im Blanket in Wärme umgewandelt und somit zur Stromerzeugung genutzt wird. Außerdem erfüllen sie die wichtige Aufgabe, aus Lithium den Brennstoff Tritium zu erzeugen. Die erste Wand muss somit zusätzlich auch dem Neutronenbeschuss standhalten können, die Absorption der Neutronen in der Wand muss gering gehalten werden, und es dürfen keine Materialien eingesetzt werden, die durch Neutronenbeschuss langlebige, radioaktive Isotope bilden.

Ein weiterer wichtiger Schwerpunkt für die Untersuchungen in unserem Bereich ist die Wasserstoffrückhaltung in den bzw. die Permeation von Wasserstoff  durch die Wandmaterialien. Dies ist aus zwei Gründen wichtig. Zum einen dienen die beiden Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium als Brennstoff für die Fusionsreaktion. Zum anderen soll vermieden werden, dass sich im Wandmaterial zuviel Tritium anreichert, bzw. in die Strukturmaterialien und weitere äußere Elemente, wie z.B. den Kühlkreislauf, eintritt, da Tritium als ß-Strahler radioaktiv ist.

Probleme erkennen und analysieren

Um mögliche Probleme beim Einsatz in der Reaktorwand identifizieren zu können, müssen alle Materialien unter den oben genannten Aspekten genau untersucht und Lösungen für erkannte Schwachstellen gefunden werden. Nur so können Materialsysteme definiert werden, die die Anforderungen von späteren Fusionskraftwerken erfüllen. Eine Vielzahl von Analysemethoden steht uns dabei zur Verfügung, um die Eigenschaften der Materialien zu analysieren, zu verstehen und zu verbessern:

Ionenstrahlanalyse: Wenn Ionen aus dem Plasma auf die erste Wand treffen und in die Oberfläche implantiert werden, ist es wichtig zu wissen, bis in welche Tiefe die Ionen vordringen. Um die Tiefenverteilung der Elemente zu messen, kann man mit Hilfe eines Linearbeschleunigers Teilchen auf die Oberfläche schießen. In der Rutherford-Rückstreu-Spektroskopie (RBS)  wird das Projektil dann ähnlich wie bei einem Billardstoß reflektiert. Abhängig von der Masse des Zielatoms und dessen Tiefe in der zu untersuchenden Probe ändert sich die Energie des rückgestreuten Projektils und damit kann das Element in der Probe identifiziert werden. Leider ist diese Methode nicht geeignet, um das Wasserstoff-Isotop Deuterium nachzuweisen, weshalb man sich in diesem Fall der Kernreaktionsanalyse (NRA) bedient. Dabei wird als Projektil Helium-3 verwendet, welches in einer Kernreaktion mit dem Deuterium in der Probe in ein Alphateilchen (= Helium-4) und ein hochenergetisches Proton umgewandelt wird. Aus der Anzahl und der Energieverteilung der die Probe verlassenden Protonen kann auf die Konzentration und Tiefenverteilung des Deuteriums geschlossen werden.

Photoelektronen-Spektroskopie (XPS): Um herauszufinden, wie sich die Materialien der ersten Wand unter thermischen Belastungen und unter Ionenbeschuss verändern, bedient man sich der Photoelektronen-Spektroskopie. Hierbei wird eine Probe mit einer Röntgenquelle bestrahlt. Dadurch werden freie Elektronen in der Probe erzeugt. Die Energie dieser Elektronen kann gemessen und so bestimmt werden, aus welchen chemischen Elementen und Verbindungen die Probe besteht, und wie sie sich z.B. durch Aufheizen auf hohe Temperaturen ändert.

Thermische Desorptions-Spektroskopie: Um zu bestimmen, wieviel Wasserstoff (H) in einer Probe gebunden ist, wird die Probe geheizt und die Menge H gemessen, die aus der Probe freigesetzt wird. Durch Aufzeichnung der Menge des freigesetzten H in Abhängigkeit von der Temperatur können Rückschlüsse auf die Bindungsmechanismen des H in der Probe gezogen werden. So können wir Methoden entwickeln, um die gebundenen H-Isotope aus der ersten Wand zu entfernen.

Lösungen finden

Wasserstoffpermeationsbarrieren: Um den Brennstoff im Reaktor zu halten und den Durchtritt (Permeation) des radioaktiven Tritiums durch die Reaktorwand zu verhindern, forschen wir an Wasserstoffpermeationsbarrieren. Dieses sind dünne Schichten aus Oxiden, die an geeigneten Stellen in der Wand eingebaut werden können. Natürlich müssen diese Schichten auch den anderen oben genannten Anforderungen genügen, also temperaturstabil sein und eine niedrige Aktivierbarkeit durch Neutronen aufweisen. Um die Wasserstoffpermeation zu messen, wurde eine Permeationsanlage entwickelt. Diese besteht aus zwei Vakuumkammern, zwischen denen die Probe, bestehend aus einer Barriereschicht auf einem fusionsrelevanten Wandmaterial, eingesetzt wird. Nun wird in die erste Kammer Deuterium eingelassen und in der zweiten Kammer wird mittels eines Massenspektrometers der Deuteriumfluss gemessen, der durch die Probe geht. Mit temperatur- und druckabhängigen Messungen können Rückschlüsse auf die Permeationsmechanismen in der Probe gezogen werden. Das Ziel ist es, Permeationsmechanismen zu verstehen und geeignete Materialien mit sehr geringen Permeabilitäten zu finden.

Yittrium-Oxidschicht auf einem EUROFER97 Substrat. Das Gefüge des Stahlsubstrates ist durch die Schicht sichtbar.

Wolframfaser-verstärktes Wolfram: Wolfram eignet sich auf Grund des hohen Schmelzpunktes, der geringen Schädigung durch Teilchenbeschuss und der niedrigen Wasserstoffpermeation als Material für die erste Wand. Allerdings gibt es in Bezug auf Wolfram auch noch Herausforderungen, die gelöst werden müssen.

Eine davon betrifft das Verhalten von Wolfram unter mechanischen Spannungen. So ist es bei Raumtemperatur spröde und wird erst bei höheren Temperaturen duktiler. Dieser Übergang kann aufgrund von Schädigung durch Neutronen sogar erst bei noch höheren Temperaturen stattfinden. Um das spröde Verhalten zu umgehen, ist es möglich, anstatt reinem Wolfram ein Wolframkomposit, wie wolframfaser-verstärktes Wolfram einzusetzen.

REM-Bild eines Erbiumoxid Interfaces (dunkel) einer Wolframfaser-verstärkten Wolfram-Komposit-Probe. Der Querschnitt in der unteren Bildhälfte wurde mittels Focused-Ion-Beam erstellt.

Ein analoges Beispiel findet man z.B. bei faserverstärkten Kunststoffen. So wird eine Wolframfaser beschichtet und in eine Wolframmatrix eingebettet. Dabei spielt die Beschichtung die Rolle einer Sollbruchstelle, in welcher Energie bei mechanischer Belastung dissipieren kann, ohne dass der Werkstoff als Ganzes versagt.

Selbstpassivierende Wolframlegierungen: Eine weitere Herausforderung in Bezug auf Wolfram besteht darin, bei einem unwahrscheinlichen Kühlkreislauf-Ausfall die Beeinträchtigung der Umwelt zu verhindern. In diesem Fall kann sich die erste Wand auf Grund von nuklearer Zerfallswärme auf über 1000°C erwärmen. Dringt nun Luft in den Reaktor ein, kann sich Wolframoxid WO₃ bilden, das bei diesen Temperaturen flüchtig ist. Dadurch können radioaktive Substanzen in die Umwelt gelangen.

Um die Bildung und Freisetzung des flüchtigen WO₃ zu verhindern, werden sogenannte selbstpassivierende Wolframlegierungen entwickelt. Dazu werden dem Wolfram Elemente wie Chrom und Titan zugesetzt, die bei diesem Ausfall eine schützende, stabile Oxidschicht über dem Wolfram bilden und so das weitere Oxidieren und das Austreten von radioaktiven Substanzen verhindern.

Der wissenschaftliche Artikel Development of advanced high heat flux and plasma-facing materials gibt einen Überblick über das Forschungsgebiet.

Kontakt

Dr. Jan Willem Coenen

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