Fusionstechnologie

Vakuumtechnologie ist für die Schaffung der notwendigen Voraussetzungen für Fusionsreaktionen von zentraler Bedeutung

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Weltweit gibt es große Hoffnungen, dass die Fusionstechnologie als saubere alternative Energiequelle nutzbar sein wird. Seit den 1950er Jahren versuchen Wissenschaftler auf der ganzen Welt, die Kernfusion für friedliche Zwecke zu nutzen. Obwohl das Verfahren auf unserer Sonne perfekt funktioniert, ist es schwierig, diese extremen Bedingungen auf der Erde zu reproduzieren. Für diese Versuche werden zwei Arten großer Fusionsreaktoren verwendet: Tokamak und Stellarator. Beide Reaktortypen arbeiten nach dem gleichen Prinzip. Die Unterschiede liegen in der Form und Anordnung der Spulen, die das ringförmige Magnetfeld erzeugen. Der Tokamak-Reaktor ist symmetrisch aufgebaut. Stellaratoren hingegen haben eine komplexe asymmetrische Reaktorform.

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Vakuum im Fusionsreaktor - Die Reaktorprinzipien Tokamak und Stellarator

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Wie funktioniert es?
Im Grunde geht es darum, jeweils zwei Wasserstoffisotope zu einem neuen Heliumkern zu verschmelzen. Dabei entstehen nicht nur Helium und ein einzelnes Neutron, sondern auch eine außerordentlich große Energiemenge. Die Fusion kann nur im Hochvakuum bei einer hohen Plasmatemperatur von etwa 100 bis 150 Millionen Kelvin stattfinden. Ziel des Erwärmungsprozesses ist es, die Kerne von den Elektronen zu trennen, um ein Plasma zu bilden. Die geladenen Kerne werden innerhalb des Reaktors mit Hilfe eines extrem starken Magnetfeldes (von mehreren Tesla) geführt, das jeglichen Kontakt mit den Reaktorwänden ausschließt. Wenn sich zwei Atomkerne einander annähern oder aufeinander prallen, verschmelzen sie und setzen eine große Menge Energie frei. Ein Teil dieser Energie wird benötigt, um das Plasma auf Temperatur zu halten, damit das System ohne zusätzliche Energiezufuhr betrieben werden kann. Die erzeugte Wärme wird dann zur Erzeugung von Dampf verwendet, der einen Generator antreibt.

Anforderungen an das Vakuumsystem

Eine der wichtigsten Voraussetzungen für den Betrieb eines Fusionsreaktors ist ein starkes, zuverlässiges und leistungsfähiges Vakuumsystem.

Das Plasmagefäß eines Fusionsreaktors muss auf einen Basisdruck von < 10-6 Pa (< 10-8 mbar) evakuiert werden und der Druck im Kryostatsystem sollte unter 10-3 Pa (< 10-5 mbar) liegen. Die Prozessgase im Versuchsgefäß sind in der Regel Wasserstoff, Deuterium oder Tritium.
Aufgrund des starken Magnetfeldes von mehreren Tesla (kurz „T“) muss die Vakuumapparatur in einem Abstand von 4 bis 9 Metern vom Plasmagefäß installiert werden. Selbst in dieser Entfernung kann das Magnetfeld immer noch eine Stärke von 100 mT erreichen. Alle Komponenten müssen daher mit einer Magnetabschirmung versehen werden. Bei Turbomolekularpumpen ist es besonders wichtig, eine Erwärmung des Rotors durch Wirbelströme zu verhindern
Die Elektronik aller verwendeten Vakuumkomponenten muss in einem bestimmten Abstand von der eigentlichen Pumpe bzw. der Messvorrichtung installiert werden. Das liegt daran, dass moderne digitale Elektronik durch Radioaktivität beschädigt werden kann.

Produktportfolio

Pfeiffer Vacuum ist seit vielen Jahren ein weltweit etablierter und hochkompetenter Partner für Fusionsversuche. Es ist uns besonders wichtig, Lösungen in enger Zusammenarbeit mit dem Anwender zu entwickeln. Der wichtigste Teil dieses Prozesses ist die Ermittlung der am besten geeigneten Produktkombination für die jeweilige Anwendung. Der Einsatz von Pfeiffer Vacuum HiPace-Turbopumpen in Projekten wie Wendelstein 7-X hat gezeigt, dass diese Pumpen gut für Fusionsversuche geeignet sind. Das spezielle Lagerprinzip und der innere Aufbau der HiPace-Turbopumpen sorgen dafür, dass eine große Wärmemenge übertragen werden kann. Dadurch erreichen die HiPace-Pumpen eine hohe thermische Betriebssicherheit in Fremdfeldern und können in unmittelbarer Nähe des Plasmagefäßes installiert werden. Durch den geringeren Abstand zwischen Pumpen und Vakuumkammer wird ein höheres wirksames Saugvermögen der Pumpen im Plasmagefäß erreicht. Um Beschädigungen der Elektronik unter rauen Bedingungen zu vermeiden, bietet Pfeiffer Vacuum eine große Auswahl an externen Steuergeräten für Pumpen und Transmitter an. Die mögliche Entfernung zwischen der Antriebselektronik und den Pumpen oder Transmittern beträgt dabei mehr als 100 m. Die Kabel werden nach den Anforderungen der Kunden entwickelt und sind frei von Halogenen.