Plasma-Wand-Wechselwirkung an linearen Plasma-Anlagen

Neue Herausforderungen

Die Wechselwirkung zwischen dem Plasma und den Wandmaterialien eines Fusionsreaktors bestimmt ganz wesentlich die Lebensdauer der Wandkomponenten

und damit die Wirtschaftlichkeit der Anlage. Gerade im Hinblick auf das im Bau befindliche ITER Experiment und den ersten Demonstrationsreaktor DEMO stellen sich besondere Herausforderungen. Weitaus größere Teilchen- und Wärmeflussdichten auf die erste Wand als in heutigen Anlagen, dabei sowohl stationäre als auch transiente Belastungen.

• Sehr viel längere Pulsdauern bis hin zum stationären Betrieb und damit eine deutlich höhere Gesamtmenge von Plasmateilchen (sogenannte Fluenz) und Wärme auf den Wandkomponenten, als das in heuten Einschlussexperimenten der Fall ist, und damit enorme Mengen an erodiertem Wandmaterial.
• Die Belastung der ersten Wand mit den beim D-T Fusionsprozess erzeugten schnellen Fusionsneutronen, die zur Schädigung des Materials durch Gitterdefekte und Bildung von Helium durch Kernreaktionen führen.
• Synergistische Effekte, die aus dem Zusammenspiel von Neutronenschädigung, Teilchen- und Wärmelasten entstehen.

Während einige wichtige Aspekte der Plasma-Wand-Wechselwirkung, wie Energieabfuhr und das Wechselspiel zwischen Materialerosion und –transport in das Plasma hinein, auf kurzen Zeitskalen ablaufen, sind doch viele wesentliche Fragestellungen und Herausforderungen mit sehr viel längeren Zeitskalen und damit hohen Fluenzen verknüpft: die Wiederanlagerung von erodiertem Wandmaterial in Schichten, die Veränderung der Oberflächenmorphologie und der Mikrostruktur des Materials (beim zweiten insbesondere durch den Einfluss der Neutronen), sowie Materialermüdung durch die Vielzahl von transienten Effekten während ausgedehnter Betriebsphasen in einem Reaktor.

In heutigen Tokamak- Experimenten werden solche Bedingungen nicht erreicht, Stellaratoren wie Wendelstein 7-X erlauben da prinzipiell schon sehr viel längere Pulsdauern (bei Wendelstein 7-X mit gekühltem Divertor in Zukunft bis zu 30 Minuten). Sie sind daher wichtige Experimente für Fragestellungen zur Plasma-Wand-Wechselwirkung.

Um aber heute schon die Langzeitaspekte der Plasma-Wand-Wechselwirkung zu studieren und Wandmaterialien zu charakterisieren, sind spezielle Testanlagen notwendig. Lineare Plasmaanlagen wie der PSI-2 in Jülich bieten diese Möglichkeiten.

Die Zielrichtung der Studien geht aber über die Anwendungen in der Fusion deutlich hinaus: Extreme Belastungen und hohe Betriebstemperaturen sind auch für andere Zweige der Energieforschung charakteristisch, das Verhalten von Wasserstoff in den eingesetzten Werkstoffen von großer Bedeutung. Daher werden bei den Untersuchungen in Jülich grundsätzliche Vorgänge auf mikroskopischer Ebene charakterisiert mit dem Ziel, sie durch geeignete Modelle zu beschreiben und so auch auf andere Prozessabläufe zu übertragen. Zusätzlich entwickeln wir Methoden zur Analyse der Vorgänge bei der Belastung von Materialien (z.B. die resultierende Veränderung von Oberflächeneigenschaften, das Inventar von Wasserstoff), die schon während der Belastung (in-situ Diagnostiken) oder direkt im Anschluss daran ohne Entfernung der Materialien aus dem System (in–vacuo Diagnostiken) angewendet werden können.

PSI-2 Jülich

Im PSI-2 wird in einer Niederdruck-Hochstrom-Bogenentladung ein stationäres Plasma zwischen einer geheizten, zylindrischen Kathode aus Lanthanhexaborid und einer Hohlanode aus Molybdän erzeugt. Aus der Quellregion heraus strömt das Plasma geführt von einem axialen Magnetfeld über eine Druckstufe in den Expositionsbereich. Hier werden die Materialproben dem PSI-2 Plasma ausgesetzt.

Die lineare Plasma-Anlage PSI-2 in Jülich.

Die Zuführung der Materialproben erfolgt mit Hilfe eines linearen Manipulators über eine sogenannte Targetwechsel– und Analysekammer, die mithilfe von Vakuumschiebern vom PSI-2 Gefäß getrennt werden kann. In diese Kammer werden die Materialproben nach der Plasmaexposition zurückgezogen, um den Einfluss des Plasmas auf die Oberflächenzusammensetzung sowie des Wasserstoffinventars zu studieren, ohne das Material aus dem Vakuum zu nehmen.

Kopf des Targetmanipulators in der Targetwechselkammer von PSI-2.

Bei der Analyse der Materialoberflächen kommen am PSI-2 insbesondere laserbasierte Methoden zum Einsatz wie die laserinduzierte Desorption sowie die laserinduzierte Plasmaspektroskopie.

Ein wesentliches Element für die Materialtests ist die Möglichkeit, zusätzlich zur Plasmaexposition transiente Wärmepulse auf die Oberflächen mit Hilfe von Laserstrahlung aufzubringen, um so die synergistischen Effekte von Teilchen- und Wärmelasten zu untersuchen. Dabei kann man mit dem bei PSI-2 eingesetzten Laser insbesondere die in Fusionsanlagen auftretenden Randschicht-Instabilitäten (sog. „Edge localized modes“) bei höchsten Pulszahlen einsetzen.

Wichtige Betriebsparameter von PSI-2

Derzeitige Untersuchungen am PSI-2 beschäftigen sich u.a. mit den physikalischen Prozessen bei der Wasserstoffrückhaltung in Wolfram (insbesondere dem Einfluss der Oberflächenmorphologie und von Verunreinigungen im Plasma wie Argon und Helium), den Schädigungsgrenzen von Wolfram bei Plasmaexposition und gleichzeitigen transienten Wärmelasten, der Erosion von Wolfram unter fusionstypischen Bedingungen sowie der Charakterisierung von niedrig-aktivierbarem Stahl (EUROFER) als Material für die erste Wand im Fusionsreaktor.

Wolframexposition in PSI-2.

Darüber hinaus ist es möglich, in linearen Plasmaanlagen wie dem PSI-2 auch die Eigenschaften besonders kalter, sog. Divertorplasmen zu untersuchen, wie sie in Fusionsanlagen wie ITER vorgesehen sind, um die Lebensdauer der höchstbelasteten Wandkomponenten (den Divertor-Prallplatten) zu optimieren. Diese Untersuchungen sind insbesondere zur Weiterentwicklung von numerischen Codes wie z.B. B2-Eirene von großer Bedeutung. Neben Plasmaentladungen mit Deuterium als Füllgas können auch andere Gase genutzt werden, z.B. Helium und Argon. Dabei können auch Plasmen mit gemischter Zusammensetzung eingestellt werden.

Das erste Argon-Plasma in PSI-2.

Kaltes Deuterium-Plasma in PSI-2.

Einfluss von Neutronen auf das Verhalten von Wandmaterialien

Die in der DT-Fusionsreaktion erzeugten schnellen Neutronen schädigen das Wandmaterial durch die Bildung von Defekten im Gitter und nachhaltiger Änderung der Mikrostruktur sowie durch Transmutation von Gitteratomen. Dadurch werden die thermischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften der Wandmaterialien nachhaltig geändert, mit wesentlichen Effekten auf die Widerstandsfähigkeit der Materialien gegen Wärmelasten und Erosion. Die durch die Neutronen erzeugten Fehlstellen und Gitterlücken erhöhen gleichzeitig das Wasserstoffinventar, das sich in Fusionsanlagen aufgrund des permanenten Teilchenflusses auf die erste Wand einstellt - wegen des im Fusionsreaktor als Brennstoff verwendeten Tritiums ist die Begrenzung des Wandinventars ein wichtiger Aspekt für den sicheren Betrieb des Reaktors.

Die Schädigung von Wandmaterialien in Fusionsreaktoren kann mit hochenergetischen Ionenstrahlen simuliert werden, allerdings gibt es signifikante Unterschiede in der Tiefenverteilung der Gitterschäden und im Hinblick auf das Energiespektrum der aus dem Gitterverband herausgeschlagenen Atome. Deshalb kommen in der Materialforschung für die Fusion auch Materialproben zum Einsatz, die in Forschungsreaktoren durch Neutronen aus Kernspaltungsprozessen geschädigt werden. Diese kommen dem durch schnelle Fusionsneutronen erzeugten Schädigungsmuster nahe, allerdings ohne dass Transmutationsprozesse in demselben Umfang stattfinden.

Die Lebensdauer der Wandkomponenten eines Fusionsreaktors und die Einlagerung von Wasserstoff werden also entscheidend durch das Zusammenkommen von Plasma, Wärmelasten (stationär und transient) sowie der Materialschädigung durch Neutronen bestimmt. Das zeitgleiche Zusammenspiel dieser drei Belastungselemente wird erst in einem Fusionsreaktor realisiert sein.

Um aber heute schon diese wesentlichen Materialfragestellungen zu untersuchen, wird im Forschungszentrum Jülich ein Experiment zur Exposition von Neutronen-geschädigten Wandmaterialien in einer linearen Plasmaanlage bei simultaner Belastung durch transiente Wärmelasten vorbereitet. Diese Anlage, JULE-PSI, wird im Heißen Materiallabor des Forschungszentrums Jülich (HML) aufgebaut und wird weltweit einzigartige Möglichkeiten zur Charakterisierung von Wandmaterialien für die Fusion schaffen.

Das Hochtemperatur-Materiallabor und die lineare Plasmaanlage JULE-PSI

Das Hochtemperatur-Materiallabor des Forschungszentrums Jülich bietet die Infrastruktur zur Untersuchung von schwach radioaktiven Materialien in einem Kontrollbereich und zusätzlich einen Trakt mit drei Heißen Zellen. Eine zusätzliche Heiße Zelle ist derzeit in Planung, in der eine neue lineare Plasmaanlage (JULE-PSI) nach dem Vorbild von PSI-2 aufgebaut werden wird. Auch diese Anlage wird mit einer Targetwechsel- und Analysekammer ausgestattet werden, in der die Materialproben nach Belastungstest mit Plasma und Laserstrahlung in vacuo untersucht werden können.

Die Abschirmung durch die Heiße Zelle erlaubt die Handhabung von neutronenbestrahlten Materialproben aus Forschungsreaktoren sowie in Zukunft auch von Materialproben aus ITER. Darüber hinaus können auch Arbeiten mit toxischen Stoffen wie Beryllium durchgeführt werden.

Insbesondere die Konzepte zur Handhabung der Materialproben sowie die Diagnostiken zur Analyse des Plasmas sowie der Eigenschaften der Materialproben nach der Belastung sind auf Basis der an PSI-2 erprobte Techniken entwickelt worden.

Zur Optimierung des Belastungsprofils des Plasmastrahls (größere Homogenität) wird dabei für JULE-PSI  die Geometrie der Plasmaquelle, insbesondere die Form der Kathode geändert: statt des Hohlzylinders wird eine Flächenkathode zum Einsatz kommen. Die Möglichkeiten zur Beobachtung der Materialprobe während der Exposition sind durch ein neues Design des Vakuumgefäßes gegenüber PSI-2 deutlich erweitert. Auch für JULE-PSI kommt ein Laser zur Erzeugung transienter Wärmelasten (Pulsenergie 100 J, Pulsdauer 1 ms) zum Einsatz.

Aufbau und Inbetriebnahme von JULE-PSI erfolgen zunächst außerhalb des Kontrollbereichs des HML. Nach der für den Betrieb von JULE-PSI derzeit durchgeführten Ertüchtigung der Infrastruktur im HML (Bau einer neuen Heißen Zelle für JULE-PSI und einer weiteren Zelle für eine neue Elektronenstrahlanlage JUDITH 3) ist der Umzug von JULE-PSI und Betriebsbeginn im HML für 2023 geplant.

Konstruktionszeichnung JULE-PSI

Kontakt

Prof. Bernhard Unterberg

Telefon 02461 61-4803
Telefax 02461 61-2660
b.unterberg@fz-juelich.de