Vakuumkammer zum Testen der Plasmareinigung von Spiegeln, die für die Steuerung des geplanten Fusionsreaktor ITER verwendet werden. (Foto: Universität Basel, Departement Physik)
Für den Betrieb des geplanten Fusionsreaktor ITER, der zurzeit in Südfrankreich gebaut wird, spielen optische Messsysteme eine zentrale Rolle. Forscher am Departement Physik der Universität Basel haben erfolgreich eine Methode getestet, wie sich Spiegel innerhalb des Reaktors reinigen lassen.
In Südfrankreich entsteht zurzeit eines der spannendsten Experimente der Welt. Bis 2020 soll der erste Forschungsreaktor in Betrieb gehen, in dem – ähnlich wie bei der Sonne – schwere Wasserstoff-Isotope verschmolzen werden. Der «International Thermonuclear Experimental Reactor», kurz ITER, möchte die physikalische und technische Machbarkeit der Fusionsenergie nachweisen und damit den Weg für die kommerzielle Stromgewinnung aus der Fusion ebnen.
Technologisch ist der Bau eine grosse Herausforderung. Das Konzept sieht vor, ein Gasgemisch aus den Brennstoffen Deuterium und Tritium auf über 100 Millionen Grad Celsius aufzuheizen, bis sich ein Plasma bildet. Da sich das heisse Plasma nicht einfach in eine Brennkammer stecken lässt, wird es mithilfe von starken Magnetfeldern in der Schwebe gehalten. Die Messung und Steuerung der Fusion beruht auf der Analyse der Lichtwellen, die aus dem Plasma emittiert werden. Dabei leitet ein komplexes System von Spiegeln das Licht aus dem Reaktor zu den Messgeräten.
Reinigung unter extremen Bedingungen
Die ersten Spiegel befinden sich im Inneren einer Vakuumkammer, wo sie kaum zugänglich sind und durch verschiedene Formen von Strahlung und hohen Temperaturen stark belastet werden. Das kann zu einer Erosion der Spiegeloberfläche führen. Gleichzeitig können sich darauf auch Teilchen absetzen und die Reflexionsfähigkeit beeinträchtigen. Basler Physiker haben nun zusammen mit Kollegen aus Dänemark und Frankreich eine Technik getestet, mit der sich Ablagerungen von den Spiegeloberflächen entfernen lassen.
Dabei wird ein hochfrequentes Wechselfeld angelegt, wodurch aus dem Füllgas ein Plasma entsteht. Dessen Ionen und Elektronen werden durch das angelegte elektrische Feld beschleunigt, was Teilchen von der Spiegeloberfläche zu lösen vermag.
Das Team führte an der Universität Basel Versuche durch, um Szenarien für die Spiegelreinigung unter verschiedenen Bedingungen zu testen. In einem zweistufigen Vorgang untersuchten die Forscher zunächst die Ablagerung von Aluminiumpartikeln auf den Spiegeln. Anschliessend entfernten sie erfolgreich den Partikelfilm durch die Anwendung des Hochfrequenzplasmas.
ähnliche Experimente waren bereits mit kleineren Spiegeln erfolgreich durchgeführt worden, doch nun gelang es erstmals, Spiegel von 20 mal 30 Zentimetern zu reinigen, wie sie in ITER verwendet werden sollen. Zudem untersuchten die Forscher, wie sich ein starkes Magnetfeld von 3,5 Tesla auf das Reinigungsverfahren auswirkt. Davon erhoffen sie sich Rückschlüsse, wie gut sich die Methode angesichts der starken Magnetfelder eignet, die im Versuchsreaktor herrschen werden.
Das Forscherteam – darunter Dr. Laurent Marot, Prof. Ernst Meyer, Lucas Moser und Roland Steiner vom Department Physik der Universität Basel – wurde für diesen Beitrag an der ITER-Anerkennungsfeier 2014 ausgezeichnet.
Originalbeitrag
Lucas Moser, Roland Steiner, Frank Leipold, Roger Reichle, Laurent Marot, Ernst Meyer
Plasma cleaning of ITER first mirrors in magnetic field
Journal of Nuclear Materials (in press), doi:10.1016/j.jnucmat.2014.11.087
