Zerstörerischer Kontakt

Der enge Kontakt ist unvermeidbar, doch das Zusammentreffen voller Konflikte: Wo Plasma und die Wand der Fusionskammer aneinandergrenzen, kann es zu Zwischenfällen kommen, die letztlich beide vernichten. Zwar halten die Gitterstäbe des Magnetfelds das Plasma in Schach, aber „ausbruchssicher“ ist dieses Plasmagefängnis nicht, eine äußere Begrenzung aus fester Materie daher unabdingbar. Bei Plasmatemperaturen von mehr als 100 Millionen Grad scheint es fast ausgeschlossen, dass Material, das mit ihm in Berührung kommt, nicht augenblicklich verdampft oder zerstäubt. Doch dem ist nicht so. Der Grund: Plasma ist zwar fast unvorstellbar heiß, aber gleichzeitig auch extrem dünn. Seine Dichte ist millionenfach geringer als die der Luft.

Materialien im Tes © FZ Jülich

Kommt ein Werkstoff in Kontakt mit dem Plasma, „spürt“ er zwar die hohe Energie der schnell aufprallenden Teilchen, doch er wird immer nur von wenigen Partikeln getroffen. Entscheidend für die Widerstandskraft eines Materials ist daher immer die Kombination von Teilchendichte und Plasmatemperatur – der sogenannte Wärmefluss. An der Brennkammerwand eines Fusionsreaktors treten etwa zehnmal höhere Wärmeflüsse auf, als an den Kernbrennstäben eines Atomkraftwerks. „Könnte man die Wärmeabstrahlung einer Herdplatte auf die Fläche einer Ein-Pfennig-Münze konzentrieren, entspräche dies einem Wärmefluss, wie er auch in Fusionsanlagen vorkommt.“, erläutert Jochen Linke vom Institut für Werkstoffe und Verfahren der Energietechnik in Jülich.

Neben dem hohen Wärmefluss müssen die Wandmaterialien auch einem ständigen Neutronenbeschuss standhalten. Im Gegensatz zu den geladenen Teilchen des Plasma können die bei der Fusion entstehenden Neutronen den Magnetkäfig verlassen und tief in die Brennkammerwand eindringen. Da sie einen Großteil der Fusionsenergie mit sich tragen, sind die Folgen entsprechend. Für die Brennkammerwand müssen daher besonders widerstandsfähige Wandelemente gefunden werden.

Doch genau dies bereitet den Fusionsforschern noch Probleme: Alle irdischen Werkstoffe, die die Wissenschaftler bisher weltweit in Fusionsanlagen einsetzen, verändern sich durch das hochenergetische Plasma. Einige geben nur wenige Atome von ihrer Oberfläche her, bei anderen Materialien blättern schon nach kurzem Kontakt die obersten Schichten ab oder werden porös.

Aber nicht nur die Wand leidet bei wiederholtem Kontakt, auch das Plasma selbst wird beeinflusst: Die aus der Wand abgelösten Teilchen wandern ins Plasma ein und verunreinigen es. Der Brennstoff wird dadurch verdünnt und im Extremfall zu Verlöschen gebracht, wertvolle Energie geht verloren. Weltweit forschen Arbeitsgruppen daher nach dem idealen Wandmaterial und untersuchen die Mechanismen der „Plasma-Wand-Wechselwirkungen“.

In den meisten heutigen Anlagen sind die Kammerwände mit Kohlenstoff beschichtet. Seine Atomkerne sind nur relativ schwach positiv geladen, daher trennen sich unter dem Einfluss des Plasmas die um ihn kreisenden Elektronen leicht ab. Da reine Atomkerne dem Plasma kaum schaden, halten sich die energieschluckenden Verunreinigungen des Plasmas bei einer solchen Wand in Grenzen.

TEXTOR während eines Versuchs © FZ Jülich

Ähnliche Eigenschaften hat auch das Bor, das unter anderem in der Jülicher Versuchsanlage TEXTOR-94 als Wandauskleidung eingesetzt wird. Allerdings sind die Wände aus diesen eher leichtkernigen Materialien nicht sehr stabil, sie werden schon bei kürzerem Kontakt mit dem Plasma schnell abgetragen und würden einem Dauerbetrieb in einem Fusionskraftwerk nicht standhalten.

Im Gegensatz dazu sind schwerere Elemente wie Wolfram zwar relativ unempfindlich gegenüber den erodierenden Wirkungen des Plasmas und der Neutronenstrahlen, aber dafür „Gift“ für das Plasma: Der mit 74 Protonen stark positiv geladene Atomkern des Wolframs läßt sich „seine“ Elektronen auch unter Plasmabedingungen nur schwer entreißen. Gelangt er ins Zentrum des Plasmas, entzieht er ihm soviel Energie, dass es zusammenbrechen kann. Im Extremfall reicht dazu schon ein Wolfram-Partikel unter 10.0000 Brennstoffteilchen aus. Auch dieses Material ist daher nach dem heutigen Forschungsstand nicht für einen Kraftwerkbetrieb geeignet. Aber was dann?

Noch haben die Plasmaphysiker und Fusionsforscher die Hoffnung nicht aufgegeben, doch noch eines der beiden Materialien zu nutzen. So suchen Wissenschaftler des Kernforschungszentrums Jülich beispielsweise nach Methoden, um die Einwanderung des Wolframs ins Plasma unterhalb der kritischen Schwelle zu halten, andere Arbeitsgruppen experimentieren mit High-Tech-Werkstoffen, bei denen Kohlefasern in einer Graphitmatrix die Widerstandskraft erhöhen sollen. Bisher allerdings ist die „eierlegende Wollmilchsau“ – ein erosionsstabiles und gleichzeitig plasmafreundliches Wandmaterial noch nicht gefunden. Die Suche geht weiter…

Stand: 26.03.2000