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Prof. Dr. Robert Stieglitz

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Topic 5 - Fusionstechnologie

Präzision bei 1.400 °C – Herstellung von Kügelchen aus Li-Orthosilikat. Die ausströmende Schmelze wird in Tröpfchen definierter Größe zerlegt. Das Lithium in den so gewonnenen Li-Silikat-Kügelchen soll der Erzeugung des Fusionsbrennstoffs Tritium im Fusionsreaktor dienen.

Kernfusion
besitzt das Potential, als nahezu unerschöpfliche, sichere und CO2-freie neue Energiequelle etwa ab der Mitte des Jahrhunderts einen entscheidenden Beitrag zur Deckung des weltweiten Energiebedarfs und zum Klimaschutz zu liefern. Ziel der weltweit koordinierten Forschung ist, ein Strom lieferndes Fusionskraftwerk zu realisieren. Als Brennstoff dient ein Gemisch von zwei Wasserstoff-Isotopen: Deuterium und Tritium. Das Gemisch wird auf 100 Millionen Grad aufgeheizt, so dass ein Plasma entsteht, in dem die Atomkerne miteinander verschmelzen.

Fusionsforschung am KIT
Die Fusionsforschung in Deutschland und Europa verfolgt den Ansatz, das für die Fusionsreaktion nötige heiße Plasma mit starken Magnetfeldern einzuschließen („Magnetfusion“). Während viele andere Einrichtungen sich mit den physikalischen Aspekten des Fusionsplasmas beschäftigen, konzentriert sich die Fusionsforschung am KIT auf die technologischen Aspekte für die Realisierung eines Fusionskraftwerks. Dazu beteiligt sich das KIT mit Komponenten und Systemen an Großexperimenten der Fusionsforschung wie ITER in Cadarache, Frankreich und Wendelstein 7-X in Greifswald und setzt darüber hinaus Akzente bei der Entwicklung kraftwerksrelevanter Materialien und Komponenten.
Hierzu verfügt das KIT als eines der weltweit führenden Fusionslabors über eine hervorragende Ausstattung: Die Tieftemperatur-Magnettestanlage TOSKA erlaubt das Optimieren supraleitender Magnetkomponenten und den Test kompletter Magnetsysteme; das Tritiumlabor Karlsruhe verfügt über einzigartige Möglichkeiten, den Brennstoffkreislauf von Großexperimenten wie ITER oder von Fusionskraftwerken zu simulieren und zu optimieren; im Fusionsmateriallabor können Materialien, die einer Neutronenbestrahlung ausgesetzt waren, mechanisch und mikroskopisch charakterisiert und so Erkenntnisse für deren Weiterentwicklung gewonnen werden; und im Hochtemperatur-Helium-Kreislauf HELOKA werden für Fusionskraftwerke spezifische Hochtemperaturprozesse simuliert und verbessert.

Fusionsprojekte
Beispiele für Fusionsprojekte am KIT sind die Entwicklung von Test-Blanket-Systemen für ITER oder die Bereitstellung der 10 MW Mikrowellenheizung für Wendelstein 7-X.
Bei den Test-Blanket-Systemen geht es darum zu erproben, wie in einem Fusionskraftwerk die Fusionswärme, die in Gestalt von Neutronen aus dem Plasma heraus dringt, in der Auskleidung der Plasmakammer auf ein Kühlmedium übertragen und zur Verwendung abgeführt werden kann. Gleichzeitig muss diese Komponente mithilfe der Neutronen kurzlebiges Tritium aus dem in der Natur reichlich vorhandenen Lithium erzeugen. KIT führt hier einen Verbund europäischer Fusionslabors, die die verschiedenen Aspekte dieser Aufgabe abdecken, um entsprechende Testkomponenten in ITER zu erproben.
Das Plasma in einem Fusionsexperiment oder -reaktor muss zunächst auf sehr hohe Temperaturen gebracht werden, um die Fusionsreaktion zu starten oder um eine solche Reaktion zu simulieren. Das deutsche Großexperiment Wendelstein 7-X, das mit dem „Stellarator“ einen zum „Tokamak“ (wie z.B. ITER) alternativen Weg des Magneteinschlusses für das Plasma verfolgt, setzt zur Plasmaheizung auf Mikrowellenstrahlung. KIT stellt, in Zusammenarbeit mit seinen Partnern IPP und Universität Stuttgart sowie der Herstellerfirma TED, das gesamte 10 MW-System, das aus 10 Hochleistungs-Mikrowellenröhren („Gyrotrons“) sowie zahlreichen Übertragungskomponenten besteht, zu Verfügung.

Abbildung:

Kohle-Know-how: KIT hat ein spezielles Verfahren entwickelt, um adsorbierende Schichten für Kryopumpen herzustellen. Dazu wird organisches Material pyrolysiert und die so erzeugte Aktivkohle auf den Kryopanels fixiert. Diese Kryopumpen sollen in ITER eingesetzt werden, um Helium, die „Asche“ des Fusionsprozesses, durch Adsorption bei tiefen Temperaturen abzupumpen.