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Feuer frei: 2027 soll Plasma in diesem 900 Tonnen schweren Reaktorgefäß in Südfrankreich brennen. Unter hohem Druck verschmelzen dabei in einem Magnetkäfig Atomkerne von schwerem und überschwerem Wasserstoff. Diese Fusionsreaktion setzt hohe Mengen Energie und Neutronen frei. Nur extrem hitze- und strahlungsbeständiges Wandmaterial übersteht solche Bedingungen längere Zeit schadlos. Bild: ITER
Qualifizierung und Qualitätssicherung

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Wandmaterial für Fusionsreaktor im Test

Text: Christoph Pohl, TÜV Rheinland
Höllische Bedingungen herrschen, wo dereinst Atomkerne kontrolliert verschmelzen sollen, um Energie zu liefern. Es gilt, das Material zu testen, damit die Bauarbeiten an den inneren Reaktorwänden nicht ins Stocken geraten.

In Südfrankreich entsteht in einem internationalen Projekt der Forschungsreaktor ITER. Die Fusionsanlage wird mit ihrer Fertigstellung die größte ihrer Art sein. Ihr Ziel ist es, Energie durch Kernfusion zu gewinnen, um deren wissenschaftliche wie technische Machbarkeit zu demonstrieren.

Bei der Kernfusion wird ein Gas (etwa ein Gemisch aus schwerem und überschwerem Wasserstoff) so stark erhitzt, dass Plasma entsteht. Eine Kombination unterschiedlich ausgerichteter Magnetfelder schließt es in einem „Tokamak-Käfig“ ein und bündelt es.

Wird das Plasma weiter angeheizt und verdichtet, kommt es oberhalb einer bestimmten Temperatur und Teilchendichte in nennenswertem Umfang zu Fusionsreaktionen: Atomkerne verschmelzen miteinander und setzen dabei Energie frei.

Fusionsenergie ab 2027

Mit dem Ziel, erstmals eine positive Energiebilanz aus einer kontrollierten Fusion zu erzeugen, errichten die EU unter Beteiligung von USA, China, Russland, Japan, Südkorea und Indien derzeit in Südfrankreich den Fusionsforschungsreaktor ITER. Mit ihm können Forscher und Ingenieure die Technologie unter realen Bedingungen erproben. Das erste Plasma zur Energieerzeugung auf Basis der Deuterium-Tritium-Fusion ist bis zum Jahr 2027 vorgesehen.

Zur Errichtung des Reaktors stellt jedes Teilnehmerland eigene Komponenten entsprechend eines vereinbarten Bauplans zur Verfügung, indem es die nationale Industrie sowie Forschungszentren mit deren Entwicklung und Produktion beauftragt.

In Deutschland erhielt der TÜV Rheinland den Auftrag zur Qualifizierung und Qualitätssicherung einer bereits in früheren Versuchen identifizierten Materialoption für die inneren Reaktorwände.

Im Vorhof der Strahlenhölle

Das Wandmaterial innerhalb des Reaktors muss nicht nur einen Teil der erzeugten Fusionsenergie abführen, sondern die weiter vom Plasma entfernten Stahlstrukturen abschirmen. An der Wand treten extreme Belastungen auf:

  • Hoher Wärmefluss: bis zu 4,7 Megawatt pro Quadratmeter

  • Materialspannungen: Elektromagnetische Wechselwirkungen, Temperaturunterschiede und unterschiedliche Wärmeausdehnungen der einzelnen Materialien können den Wärmeflusses behindern und so noch größere Temperaturunterschiede erzeugen.

  • Neutronenversprödung: Der durch die Fusionsreaktion ausgelöste hohe Fluss von energiereichen Neutronen kann zur Versprödung und letztendlich zum Ausfall der Materialien führen, so dass ihre besonderen Eigenschaften wie Festigkeit oder Wärmeleitfähigkeit verlieren würden.

  • Plasma-Wand-Interaktion: Das Plasma reibt ähnlich wie ein Schmirgelpapier an der Wand. Der dabei abgelöste Staub schwächt den Fusionsprozess.

  • Zyklische Belastung: Zu den Betriebszuständen, die der Reaktor zyklisch durchläuft, zählen das Erzeugen und Einspeisen von Plasma sowie dessen Erhitzen und der Fusionsprozess selbst.

Diesen enormen Belastungen widerstehen sollen 218 spezielle NHF-Panels (Normal Heat Flux, für normalen Wärmefluss geeignet), deren Wandmaterial daher auf seine Lebensdauer und Elastizität nach einer bestimmten Strahlungsbelastung überprüft werden muss. Erst nachdem es qualifiziert wurde, kann der Bau der inneren Reaktorwände beendet werden.

Zähes und robustes Wandmaterial

Eine Legierung aus Kupfer, Chrom und Zirkonium verfügt über eine hohe Wärmeleitfähigkeit, gute Zähigkeit und Robustheit gegenüber Strahlungsschäden. Das der Untersuchung zugrunde liegende Wandmaterial besteht aus einem Verbund von Edelstahlplatten, die beim sogenannten Hot Isostatic Pressing (HIP) durch hohen Druck und bei Temperaturen von bis zu 1040 Grad Celsius mit einer solchen CuCrZr-Legierung und Berylliumkacheln (BE) zusammengefügt werden. Insbesondere die CuCrZr-Legierung und ihre dauerhafte Verbindung mit der Edelstahlstruktur ist der Schlüssel für die Eignung des Materialverbundes.

Qualitätssicherung

Die Untersuchung des Wandmaterials findet in mehreren Phasen statt, die von einem umfangreichen Qualitäts- und Qualifizierungsprozess begleitet werden: TÜV Rheinland ist beauftragt, die Materialproben zu entnehmen und sogenannte „kalte Tests“ (Referenztests) an einem Teil dieser Proben durchzuführen. Für die Bestrahlung der anderen Proben und den damit verbundenen „heißen Tests“ ist das belgische Studienzentrum für Kernenergie SCK-CEN in Mol zuständig. Dort werden meist ferngesteuert in stark abgeschirmten Laboren bestrahlte Materialproben untersucht.

Bei den „heißen“ und „kalten“ Materialtests handelt es sich jeweils um Zeitstandversuche und Kriechtests, zwei in der Forschung gängige Methoden. Festgelegte Standards für die Arbeit mit Kleinstproben gibt es allerdings nicht; sie müssen im Rahmen der Versuche erst entwickelt werden.

Die Materialproben in der erforderlichen Präzision anzufertigen ist sehr aufwendig und ihre Anzahl und Größe ist exakt vorgegeben. Sie werden in maximal 27 mm langen und 5 mm dicken Stiften aus einem vorbereiteten Materialblock entnommen, ohne dass sich das Materialgefüge verändern darf. Qualitätssicherung durch hohe Präzision und eine akkurate Dokumentation ist das A und O bei diesem Unterfangen.

Zeitstandversuch und Kriechtest

Der Zeitstandversuch zeigt, ob und wie sich die charakteristischen Festigkeitswerte durch die Bestrahlung bei erhöhten Temperaturen verändern. Dazu werden Referenzproben und bestrahlte Proben eingespannt und bei 250 °C über sieben Tage auf Zug belastet. Übersteht die Probe diesen Zeitraum ohne zu zerreißen, weist dies auf die notwendige Robustheit des Materials für den Einsatz unter hoher Bestrahlung hin.

Der Kriechtest zeigt, ob und wie sich das Kriechverhalten des Materials bei einem hohen Neutronenfluss und einer Temperatur von 250 °C verhält. Unterschiedlich starke Dehnung zwischen unbestrahlten Referenzproben und Proben, die in vorgespanntem Zustand bestrahlt wurden, lässt eine Aussage über den Einfluss der Neutronenstrahlung auf die Elastizität des Materials zu. Ziehen sich die Proben nach dem Lösen der Vorspannung wieder auf ihre Ausgangslängen zurück ist die Elastizität des Materials erhalten geblieben. Kommt es aufgrund des Neutronenflusses aber zu einer Strukturveränderung des Materials, bleibt ein Teil der Dehnung der Probe auch nach der Entspannung erhalten.

Optimismus nach ersten Tests

Erste Ergebnisse der Tests geben Anlass zur Hoffnung, dass die Materialkombination aus Edelstahl, Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierung und Beryllium belastbar genug für einen Einsatz im Fusionsreaktor ist.

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Kernfusion: Gepulster Teilchenstrahl bislang unerreichter Qualität

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