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Topic 5 - Fusionstechnologie

Fusion hat das Potential, als neue Primärenergiequelle mit weltweit reichlich vorhandenen Brennstoffressourcen und minimalem Verbrauch in erheblichem Umfang dazu beizutragen, den weltweit steigenden Energiebedarf betriebssicher und CO2-frei zu decken. Die wichtigsten Projekte der internationalen Fusionsforschung sind ITER und Wendelstein 7-X. ITER (ein Tokamak) soll zum ersten Mal ein sich selbst heizendes und erhaltendes Plasma erzeugen. Wendelstein 7-X, das bislang größte Plasma-Experiment in Stellarator-Konfiguration, ist kürzlich in Greifswald in Betrieb gegangen. Die Forschung am KIT umfasst die meisten Gebiete der Fusionstechnologie und der niedrig aktivierenden Strukturmaterialien, sowie die Entwicklung von zentralen Komponenten für ITER und ein Demonstrationskraftwerk (DEMO). Die Themen im Einzelnen sind: Mikrowellen-Plasmaheizung, Fusionsmagnete und –magnetkompo-nenten, Deuterium-Tritium-Brennstoffkreislauf, Brutblanket, Divertor-Technologie, Anlagen-Engineering einschl. Sicherheitskonzepten, Fernhantierung und Energiekon-version, sowie Strukturmaterialien für die Komponenten im Plasmagefäß und Fusionsneutronik.

 


 

 

Integrierter Brennstoffkreislauf

KIT verfügt über einzigartige Erfahrung im Design, der Bewertung und dem Betrieb der Tritium-führenden Systeme, die die Stoffströme in Deuterium-Tritium-Fusionsanlagen lenken. Die entsprechenden Prozesse müssen auf verlässliche Technologien aufbauen, um die sichere Handhabung und die zuverlässige Bilanzierung von Tritium sowie eine hohe Zuverlässigkeit der Systeme im Betrieb über die gesamte Lebensdauer der Anlage zu gewährleisten. KIT ist seit über zwei Jahrzehnten führend in der internationalen Entwicklung von zentralen Komponenten des Fusions-Brennstoffkreislaufs.


 
 

Mikrowellen-Plasmaheizung

Ein Fusionskraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 1 GW benötigt Systeme für die Plasmaheizung, die 50 – 150 MW Leistung in das Fusionsplasma einstrahlen können. Die Elektron-Zyklotron-Resonanz-Heizung ermöglicht eine genau kontrollierte und räumlich definierte Injektion der Radiofrequenz-Leistung und somit gute Plasma-Kontrolle und –Stabilisierung und stellt damit ein wichtiges Plasma-Heizsystem dar. KIT arbeitet gemeinsam mit europäischen Partnern an den Mikrowellen-Quellen (Gyrotrons) und den entsprechenden Fenstern sowie Antennensystemen.


 
 

Fusionsmagnete und Magnetkomponenten

Die Expertise des KIT mit Magneten und Magnetkomponenten für die Fusion geht zurück auf die Tests mit der Toroidalfeld-Modellspule für ITER und die damals gewonnene Erfahrung (Magnetspulentests in großem Maßstab, Kryotechnik, Aus-legung von Stromzuführungen, elektrische und mechanische Tests bei Kryotemperaturen). KIT hat die Hochtemperatur-Supraleiter-Stromzuführungen für Wendelstein 7-X und für JT60-SA entwickelt und gefertigt und führt Materialtests und –qualifizierung bei kryogenen Temperaturen für W7-X, JT60-SA und ITER in der Kryomaterialtestanlage Karlsruhe durch.


 
 

Anlagen-Engineering

Dieses Sub-Topic umfasst die Arbeitsgebiete, die sich auf DEMO bzw. Fusionskraftwerke insgesamt beziehen, nämlich Sicherheitskonzepte, Logistik und Fernhantierung sowie Energiekonversion, die jeweils Schnittstellen mit praktisch allen Systemen des Kraftwerks, den Komponenten im Plasmagefäß und auch den Materialien haben und außerdem die Realisierbarkeit und den wirtschaftlichen Nutzen eines Fusionskraftwerks bestimmen. KIT hat diese Arbeiten 2014 zu Beginn des zielgerichteten EUROfusion-Programms aufgenommen.


 
 

Brutblanket

Das Brutblanket ist eine zentrale Komponente im Fusions-reaktor. Seine Hauptaufgaben sind die Erzeugung von Tritium aus 6Li und Fusionsneutronen zur Tritium-Selbstversorgung und das Abführen der Fusionsenergie bei hohen Temperaturen zwecks effizienter Elektrizitätserzeugung. Die Forschung am KIT deckt den gesamten Bereich der Brutblanket-Entwicklung ab, vom Konzeptentwurf über die Entwicklung von Funktions- und Strukturmaterialien und Fertigungstechnologien bis hin zum detaillierten Design, Sicherheitsanalysen und dem Realisieren und Testen von Prototypen.


 
 

Divertor-Technologie

Der Divertor ist eine Komponente im Inneren des Plasmagefäßes und ist extremer Hitze, hohen Teilchenbelastungen sowie dem Fluss der 14 MeV-Neutronen aus der Fusionsreaktion ausgesetzt. Dies macht die Entwicklung der „Divertor-Prallplatten“ zu einer der größten Herausforderungen bei der Auslegung von ITER und von zukünftigen Kraftwerken. KIT arbeitet an Technologien und Materialien sowohl für helium- als auch wassergekühlte Divertorkonzepte.


 
 

Strukturmaterialien für Blanket und Divertor

Die Expertise des KIT umfasst die Entwicklung neutronen-resistenter Materialien von der Synthese über die Erstellung umfangreicher Materialdatenbanken und Designregeln bis hin zu Fertigungs- und Fügeverfahren. KIT hat den ferritisch-martensitischen, niedrig-aktivierenden Stahl EUROFER entwickelt, den europäischen Referenzstahl für die ITER-Test-Blanket-Module und die Komponenten im Plasmagefäß von DEMO. Auch neue Arten von Wolfram-basierten Materialien mit verbesserter Duktilität werden entwickelt.


 
 

Neutronik

Neutronik spielt eine maßgebliche Rolle bei der Auslegung der nuklearen Komponenten eines Fusionsreaktors und der damit verbundenen Leistungsbewertung. Simulationen von Partikel-transport und Aktivierung liefern grundlegende Daten für die thermische und strukturmechanische Auslegung der Kompo-nenten wie z.B. die Tritium-Brutrate, den Energieeintrag und die räumliche Verteilung der Leistungsdichte. Die Arbeiten des KIT umfassen Kerndatenanalysen und –modellierung für ITER, Fusionskraftwerke und die „International Fusion Material Irradiation Facility - Demo Oriented Neutron Source“.