Wolframwand im Fusionsreaktor gereinigt

Millionen Grad heißes Plasma zu beherrschen, ist nur die eine Hälfte des Problems. Die andere beginnt wenige Zentimeter daneben: an einer Wand, die diese Hitze aushalten muss, ohne zu reißen, zu schmelzen oder ihre Schutzwirkung zu verlieren. Ausgerechnet winzige Poren im Metall können dabei zum Schwachpunkt werden.

Forscher der Princeton University, des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) und der Pennsylvania State University haben nun eine stark verschmutzte Wolframprobe direkt im geschlossenen Tokamak gereinigt. Neonplasma und starke Erhitzung entfernten große Teile von Kohlenstoff und Sauerstoff. Damit könnte flüssiges Lithium künftig besser durch solche Schutzschichten fließen. Die Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler im Fachjournal Nuclear Materials and Energy.

Wolframwand im Fusionsreaktor reinigen

Wolfram gilt als aussichtsreiches Material für die Innenwände künftiger Fusionsanlagen. Es schmilzt erst bei sehr hohen Temperaturen, leitet Wärme gut und speichert vergleichsweise wenig Tritium. Doch die Wand bleibt trotz dieser Eigenschaften hohen Wärme- und Teilchenlasten ausgesetzt.

Eine mögliche Lösung sind poröse Wolframkacheln. Sie funktionieren ähnlich wie ein Schwamm. Flüssiges Lithium soll durch ihre feinen Kanäle fließen und eine schützende Schicht vor dem heißen Plasma bilden.

Das Problem entsteht bereits bei der Herstellung. Pulverförmiges Wolfram nimmt leicht Kohlenstoff und Sauerstoff auf. Auch während des Sinterns gelangen Verunreinigungen in das Material. Treffen sie später auf Lithium, können feste Verbindungen entstehen.

Diese Rückstände erschweren es dem Lithium, das Wolfram zu benetzen und durch die Poren zu fließen. Im ungünstigsten Fall lagern sich feste Stoffe in den Kanälen ab. Dann verliert die Schutzschicht einen Teil ihrer Wirkung.

© U.S. Department of Energy from United States via Wikimedia unter Public Domain Der Blick ins Innere des NSTX-U zeigt die kachelartige Wandverkleidung und die zentrale Säule des sphärischen Tokamaks – genau hier müssen Materialien extremer Hitze und Teilchenstrahlung standhalten. © U.S. Department of Energy from United States via Wikimedia unter Public Domain

Neonplasma löst Schmutz aus den Poren

Für den Versuch stellten die Forscher mehrere poröse Wolframproben her. Nur eine davon eignete sich für die weitere Untersuchung. Zwei Proben waren durch vorheriges Polieren teilweise verstopft. Eine weitere enthielt Wolframkarbid, das sich nur schlecht mit Lithium benetzen lässt.

Die ausgewählte Probe kam in das Lithium Tokamak Experiment-Beta, kurz LTX-β. Dort setzten die Forscher das Material einer Neon-Glimmentladung aus. Dabei entsteht ein vergleichsweise kühles Plasma aus elektrisch geladenen Neonteilchen.

Zunächst lief die Behandlung bei niedriger Temperatur. Später wurde die Anlage mehrere Stunden beheizt. Die Probe erreichte dabei rund 200 Grad Celsius. Anschließend erhitzten die Forscher sie für die Analyse im Vakuum auf bis zu etwa 730 Grad Celsius.

Die Reinigung beruhte daher nicht allein auf dem Neonplasma. Die Autoren führen den Effekt auf das Zusammenspiel aus Plasmabehandlung und starker Erwärmung zurück. Beide Schritte lösten Kohlenstoff und Sauerstoff aus dem Material.

Aus Dunkelgrau wird wieder Silber

Der Effekt war bereits mit bloßem Auge sichtbar. Vor der Behandlung erschien die Probe dunkelgrau. Danach glänzte sie silbrig. Die chemischen Messungen bestätigten den Farbwechsel.

„Zuerst dachte ich, wir hätten Material auf der Probe abgelagert. Das wäre ein furchtbares Ergebnis gewesen“, sagte Projektleiterin Camila López Pérez. „Dann ergab die Analyse, dass dies nicht der Fall war. Die Probe war einfach sehr gründlich gereinigt worden.“

Vor der Behandlung war an der Oberfläche kein metallisches Wolfram nachweisbar. Danach lagen 87 Prozent des dort gemessenen Wolframs in metallischer Form vor. Unterhalb der Oberfläche stieg dieser Anteil von 32 auf 95 Prozent.

Die 87 Prozent beziehen sich jedoch nur auf den chemischen Zustand des Wolframs. Die gesamte Oberfläche bestand nach der Reinigung weiterhin zu 40 Atomprozent aus Kohlenstoff, zu 20 Atomprozent aus Sauerstoff und zu 38 Atomprozent aus Wolfram.

Hitze und Plasma wirken gemeinsam

Die Forscher gehen von zwei Vorgängen aus. Wasserstoffteilchen im Plasma könnten Wolframoxide chemisch reduzieren und Kohlenstoff in flüchtige Verbindungen umwandeln. Gleichzeitig dürften Neonionen Kohlenstoff und Sauerstoff aus der Oberfläche lösen.

Wie groß der Anteil von Plasma und Hitze jeweils war, ließ sich nicht eindeutig bestimmen. Die Wissenschaftler untersuchten die Probe erst nach beiden Behandlungsschritten. Deshalb führen sie den Reinigungseffekt auf das Zusammenspiel aus Neonplasma und starker Erwärmung zurück.

Für den Einsatz in einem Fusionskraftwerk ist das Verfahren noch nicht bereit. Behandelt wurde nur eine einzelne Probe, keine vollständige Reaktorwand. Zudem erwiesen sich einige Wolframproben als spröde, weil die Partikel im Material nur schwach miteinander verbunden waren.

Trotzdem belegt der Versuch, dass sich poröse Wolframbauteile direkt im Vakuum einer Fusionsanlage reinigen lassen. Sie müssen dafür nicht ausgebaut und erneut der Luft ausgesetzt werden. Das könnte helfen, die Poren für flüssiges Lithium offen zu halten und die Reaktorwand länger zu schützen.

Kurz zusammengefasst:

Eine poröse Wolframwand soll flüssiges Lithium verteilen und so Fusionsanlagen vor extremer Hitze schützen.
Neonplasma und starke Erhitzung entfernten große Teile von Kohlenstoff und Sauerstoff direkt im Tokamak.
Der Versuch belegt die Machbarkeit an einer Probe, noch nicht an einer kompletten Reaktorwand.

Übrigens: Während Forscher am NSTX-U in Princeton die Wolframwände künftiger Fusionsanlagen widerstandsfähiger machen, wächst in Frankreich der größte Fusionsreaktor der Welt aus tonnenschweren Stahlmodulen zusammen. Das letzte Bauteil für die 5000-Tonnen-Kammer ist nun eingesetzt – mehr dazu in unserem Artikel.