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Das Tritiumlabor Karlsruhe (TLK) des Instituts für Technische Physik (ITEP)

Das Anfang der neunziger Jahre gegründete europäische Tritiumlabor Karlsruhe (TLK) ist ein Halbtechnikum zur Handhabung und sicheren Einschließung des radioaktiven Wasserstoffisotops Tritium. Mit einer Umgangsgenehmigung für 40g Tritium und einem momentanen Inventar von ca. 25g ist das Labor mit seinen umfangreichen Infrastruktursystemen und Experimentieranlagen zweifelsfrei eine typische Einrichtung für ein Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft und weltweit beinahe einzigartig – lediglich Japan unterhält noch ein wissenschaftliches Labor mit vergleichbarem Tritiuminventar, aber wesentlich kleinerer Grundfläche. Das TLK findet seine Hauptaufgabe in den Großprojekten Fusionsforschung (ITER) und Neutrinophysik (KATRIN), außerdem noch in verschiedenen EU-Projekten. Mittlerweile kann das TLK auf mehr als 13 Jahre sicheren Betrieb mit Tritium zurückblicken.Prinzipiell fordert der Umgang mit Tritium in technischem Rahmen einen vollständig geschlossenen Tritiumkreislauf und eine adäquate Sicherheitstechnik. Das TLK verfügt daher über eine entsprechende Infrastruktur; das Tritium ist immer über mindestens zwei Barrieren zuverlässig eingeschlossen. Zusammen mit den Experimentierhallen verfügt das Labor über eine Gesamtfläche von 841 m² für Experimente bzw. 615 m² für Infrastruktur und betreibt aktuell mehr als zehn separate Handschuhkastensysteme mit einem gesamten Volumen von etwa 125m³. Die Handschuhkästen dienen als zweite Hülle (Barriere) für die unmittelbar tritiumführenden Rohrleitungen und Komponenten.Nicht nur aus ökologischen, sondern auch aus ökonomischen Gründen muß jeder Tritiumkreislauf möglichst effizient ausgelegt sein. Grundsätzlich sollte das Tritiuminventar aufgabenspezifisch möglichst klein gehalten und gasförmige, flüssige oder feste Abfälle soweit als möglich detritiiert werden. Nur so ist die im Labor vorhandene Tritiummenge für Experimente nutzbar. Im Bild ist der geschlossene Tritiumkreislauf des TLK stark vereinfacht illustriert.
                                   
Tritium wird als Metallhydrid gespeichert aus Kanada angeliefert - es wird dort als Abfallprodukt aus schwerem Wasser, das in Kernkraftwerken als Moderator verwendetet wird, abgetrennt. Die jeweils im TLK angelieferte Menge wird durch kalorimetrische Messung genau verifiziert und dann in das Lager transferiert. Durch Experimente wird es gegebenenfalls mit anderen Wasserstoffisotopen verdünnt, mit anderen Gasen vermischt oder sogar zu tritiiertem Wasser (HTO) oder Kohlenwasserstoffen (Methan, CT4) umgesetzt. Die Gasreinigung erzeugt ein detritiiertes Abgas und ein Gemisch aus Wasserstoffisotopen, aus welchem letztlich reines Tritium mit Hilfe der Isotopentrennung zurückgewonnen und wieder im Lager gespeichert wird.
Das TLK arbeitet multidisziplinär und pflegt eine intensive Zusammenarbeit mit europäischen Partnern und amerikanischen und vor allem japanischen Wissenschaftlern und Ingenieuren, welche das Labor immer wieder auch in ausgewählten Experimentierkampagnen unmittelbar nutzen.
 
Das Tritiumlabor ist mit einer umfassenden Infrastruktur ausgestattet, die vornehmlich auf die Durchführung von technischen Experimenten ausgerichtet ist. Dazu gehören:
- das Tritium Transfersystem (TTS), über das Tritiumabgaben an Experimente, sowie an die übrigen Systeme der Tritiuminfrastruktur abgewickelt werden
- das Tritiumlager (TLG), in dem Tritium gespeichert wird, welches nicht aktuell in Experimenten oder anderen Einrichtungen der Infrastruktur eingesetzt wird
- das Tritiumreinigungssystem (CAPER), durch das Wasserstoffisotope von Verunreinigungen befreit werden
- die Tritiummesstechnik (TMT), in der Gasproben auf ihre Zusammensetzung analysiert werden
- die Isotopentrennanlage (ISS), mit der Wasserstoff, Deuterium und Tritium voneinander separiert werden
- die Anlage zur Regenerierung von Molsieben (AMOR), die mit tritiiertem Wasser beladene Molsiebbetten aus den verschiedenen Tritium-Rückhaltesystemen des TLK regeneriert

Für die Bilanzierung von Tritium verfügt das TLK über vier auf unterschiedlichen Prinzipien basierende Kalorimeter. Diese Methoden begründen sich auf die Messung der Zerfallsleistung des Tritium β-Zerfalls von 0,324 W/g. Importiertes Tritium wird im TLK noch vor seinem Einsatz kalorimetrisch erfasst und die Messergebnisse mit den Angaben des Absenders verglichen. Erst nach dieser Überprüfung wird das Tritium in das Transfersystem bzw. in ein Experiment eingespeist. Die im TTS empfangene Tritiummenge kann mit einer volumetrischen Messmethode und gegebenenfalls einer zweiten kalorimetrischen Bestimmung des entleerten Transportbehälters verifiziert werden. Jeder Transfer von Tritium innerhalb des Tritiumlabors beinhaltet auch eine Bestimmung der zu transferierenden Tritiummenge.

 

Geschichte

-1984 Erstes Grobkonzept für ein Tritiumlabor
-1987 Vergabe erster Gewerke an die Industrie
-1992 Erste Abnahmeprüfung einzelner Gewerke durch den Gutachter
         -Realisierung von Sicherungsmaßnahmen im TLK
         -Erste Anlieferung von Tritium aus Kanada
-1993 Einweihung des TLK
         -Genehmigung durch das Umweltministerium für den Umgang mit 10g Tritium
-1995 Tritiumversuche mit PETRA und CAPRICE
         -Erhöhung der Umgangsmenge auf 20g Tritium
-1996 Erhöhung der Umgangsgenehmigung auf 40g Tritium
-2001 Entscheidung für das Tritiumlabor als Standort für KATRIN
         -Vorschlag für den ITER-Brennstoffkreislauf
-2006 Anlieferung des Hauptspektrometers

-2007 Neue Umgangsgenehmigung ersetzt alle bisherigen Teilgenehmigungen

         - Erhöhung der Umgangsmenge für gasförmiges Tritium auf 25g

         - Miteinbeziehung zukünftiger Kalibrierquellen für KATRIN

-2010 Anlieferung WGTS-Demonstrator für Cryotest