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Projekte

Ursprünglich ist das Tritiumlabor Karlsruhe für die Entwicklung des Deuterium-Tritium-Brennstoffkreislaufes für Fusionsreaktoren konzipiert worden. Wesentliche Systeme des Brennstoffkreislaufes werden in den Teilprojekten CAPER & TRENTA entwickelt. Mittlerweile dient das TLK aber auch als Standort für die Grundlagenforschung in der Neutrino- und Astroteilchenphysik. Hier wird im internationalen KATRIN-Experiment die absolute Neutrinomasse bestimmt. Diese zwei Projekte, Brennstoffkreislaufentwicklung und Neutrinomassenbestimmung, sind im Folgenden näher beschrieben. 
 

ITER: Der Brennstoffkreislauf von Fusionsreaktoren

In Fusionsreaktoren wird als Brennstoff ein Gemisch aus Deuterium und Tritium verwendet. Bei beiden Stoffen handelt es sich um Gase (siehe Lexikon). Die Energie wird in der Kernfusion aus der Verschmelzung von je einem Deuterium- und einem Tritium-Atom gewonnen. Dabei entstehen auch Neutronen und Helium.

Die technische Umsetzung der Kernfusion im Sinne der friedlichen Energiegewinnung gestaltet sich allerdings sehr schwierig und konnte noch nicht so realisiert werden, dass es zur Energiebedarfsdeckung der Bevölkerung beitragen könnte. Die Schwierigkeit liegt unter anderem darin die nukleare Fusion unter Kontrolle zu halten, und eine unkontrollierte Kettenreaktion auszuschließen, um den in jeder Hinsicht sicheren Betrieb des Reaktors zu gewährleisten. Die Forschungsgemeinschaft rund um das Projekt ITER soll die wissenschaftliche und technische Durchführbarkeit der Kernfusion als Energiequelle der Zukunft demonstrieren. Eine grundsätzliche Betrachtung des Themas Kernfusion wurde von dem Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag erstellt (Link).
 
Beim Prozess der Energieerzeugung mit Deuterium und Tritium werden allerdings nur unter 3% der eingespeisten Gase verbrannt. Gleichzeitig muss aber, allein schon aus sicherheitstechnischen Gründen, die Gesamtmenge an Tritium klein gehalten werden. Daher ist ein geschlossener Kreislauf, der den Brennstoff auf möglichst kurzem Weg zurückgewinnt, ein elementarer Bestandteil eines kommerziell nutzbaren Reaktors. Die Entwicklung und Erforschung der Prozessverarbeitung von Gasen, inklusive der kryogenen Trennung der Wasserstoffisotope und der Rückgewinnung von Tritium aus Wasser, ist eine der Hauptaufgaben des TLK. Damit nimmt es einen wesentlichen Platz der internationalen Forschungsgemeinschaft um das Großprojekt ITER (Internationaler Thermonuklearer Experimenteller Reaktor) ein.
 
 
 

 

CAPER (Plasma-Abgasreinigung)

Die laufenden Arbeiten haben zu der Erkenntnis geführt, dass insgesamt drei aufeinander folgende und voneinander getrennte Reinigungsschritte für die Plasma-Abgasreinigung erforderlich sind, um den von ITER spezifizierten Dekontaminationsfaktor von 100 Mio.: 1 zu erreichen. Gemäß dem Karlsruher Konzept wird zunächst im „front-end“ Permeator der unverbrauchte Brennstoff abgetrennt werden. In einem nachfolgenden chemischen Schritt werden die Verunreinigungen von Tritium weitestgehend befreit und das freigesetzte Tritium in den inneren Kreislauf zurückgeführt. Der dritte und letzte Schritt dient der Feinreinigung des Abgases. Dabei wird mit einem neu entwickelten Reaktionsschritt an Kohlenwasserstoffen gebundenes Resttritium durch Isotopenaustausch aus dem Prozessgas entfernt. Das alle drei Prozessschritte integrierende Verfahren wird CAPER genannt. Der von ITER geforderte Dekontaminationsfaktor kann mit CAPER sogar übertroffen werden.

Im Programm Fusion bilden die experimentellen Arbeiten zur Entwicklung der Detritiierung von Wasser, d.h. die das Herausfiltern von Tritium, gekoppelt mit der kryogenen Destillation von Wasserstoffisotopen einen Schwerpunkt. Ziel ist die Bereitstellung der notwendigen Daten für das Design der Wasserdetritiierungsanlage (WDS) und Isotopentrennanlage (ISS) für ITER. Zur Detritiierung des Wassers wird der bekannte CECE (Combined Electrolysis Catalytic Exchange) Prozess eingesetzt. Kernkomponenten des Prozesses sind ein Elektrolyseur und eine 8m lange LPCE (Liquid Phase Catalytic Exchange) Säule. Erste Versuche mit tritiiertem Wasser demonstrierten erfolgreich das Konzept. Parallel zur Detritiierung von Wasser wurde die Anlage zur kryogenen Destillation aufgebaut. Kernkomponenten sind der Refrigerator mit einer Kühlleistung von max. 250 W sowie die Cold-Box. Bei der Inbetriebnahme wurde erstmals im TLK eine inaktive Wasserstoffgasmischung aus Protium und Deuterium verflüssigt und getrennt.
 
Da Neutrinos die häufigsten Teilchen im Universum sind, ist ihre Masse ein wichtiger Faktor für viele Modelle und Berechnungen, z.B. die Ausdehnung des Universums. Bisher konnte in dem Mainzer Neutrinoexperiment eine maximale Obergrenze der Masse von 2,3 eV festgestellt werden (Näheres über Massenangaben in der Einheit eV finden Sie im Lexikon). Das internationale Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment KATRIN im Forschungszentrum Karlsruhe wird die Neutrinomasse auf direkte und modellunabhängige Weise messen, falls diese größer als 0,2 eV ist. Im anderen Fall wird es eine neue Obergrenze von 0,2 eV geben.
Um dieses Ziel zu erreichen wird der Endpunkt des Energiespektrums beim Beta-Zerfall extrem präzise vermessen. Im Vergleich zu früheren Experimenten werden dabei Größe, Genauigkeit, aber auch die Menge an radioaktivem Material um eine Größenordnung gesteigert. Dabei dient Tritium als radioaktive Quelle, wobei die maximale Energie der Elektronen ca. 18,6 keV beträgt. Das KATRIN - Experiment lässt sich in einen tritiumführenden und einen tritiumfreien Teil gliedern. Der tritiumführende Teil wird im TLK stationiert sein. Der tritiumfreie Teil, bestehend aus Vor- und Hauptspektrometer sowie einem Detektor, wird in einem angrenzenden Gebäude aufgebaut. Der tritiumführende Bereich unterteilt sich in Quelle und Transportstrecke. Beide werden im Folgenden näher erläutert.
Die Tritiumquelle: Eine Besonderheit am KATRIN – Experiment ist, dass eine fensterlose Quelle verwendet wird, d.h. der Weg von der Quelle zu den nachfolgenden Abschnitten ist völlig frei für die Elektronen, aber auch für die Moleküle und Ionen. Da das Tritium gasförmig vorliegt, wird die Quelle WGTS genannt – Windowless Gaseous Tritium Source (Fensterlose Gasförmige Tritium Quelle). Im Wesentlichen besteht die Quelle wie in der Skizze gezeigt aus einem mit Tritiumgas gefüllten Rohr, welches sich in einem starken Magnetfeld (3,6 – 5,6 Tesla) befindet und auf tiefe Temperaturen (ca. 30 K = - 243,15 °C) abgekühlt ist.
Wie bei jeglicher Handhabung von Tritium ist es auch hier absolut notwendig einen geschlossenen Gaskreislauf zu betreiben. Das an den Enden des Rohres austretende Gas wird abgepumpt, gereinigt und mit konstanter Isotopenreinheit wieder in das Quellrohr eingespeist.
Die Transportstrecke: Die Aufgabe der Transportstrecke ist es die Elektronen weiter bis zum Spektrometer zu leiten und möglichst alle Moleküle und Ionen aus dem Teilchenstrom herauszufiltern, da diese unter keinen Umständen ins Spektrometer gelangen dürfen. Dort würden sie einen so hohen Untergrund in der Messung erzeugen, dass jegliche Genauigkeit des Experiments verloren ginge.
Der erste Teil der Transportstrecke wird DPS (Differentielle Pump-Strecke) genannt. Beim differentiellen Pumpen schaufelt die Pumpe im Prinzip einzelne Moleküle aus dem abzupumpenden Volumen. Insgesamt zehn dieser differentiellen Pumpen schaffen es den Anteil des Tritiums um einen Faktor > 10^7 zu reduzieren. Einzelne Abschnitte zwischen den Pumpen sind dabei verwinkelt angeordnet um einen geradlinigen Durchmarsch der Moleküle zu verhindern.
Der zweite Teil der Transportstrecke wird CPS (Cryo-Pump-Strecke) genannt. Hier soll die innere Oberfläche der des Rohrs mit kondensiertem Argon beschichtet sein. Unter Standardbedingungen ist Argon, wie alle Edelgase, gasförmig. Damit es kondensiert ist eine sehr niedrige Temperatur nötig. Um diese zu erreichen wird flüssiges Helium als Kühlmittel verwendet (4 Kelvin, entspricht ca. -269°C). Dann soll der Tritiumrest, der durch die DPS gekommen ist (immerhin jedes 10 millionste Teilchen), auf der kalten Argonoberfläche gefangen und gespeichert werden.
Das TLK ist das einzige wissenschaftliche Labor innerhalb der EU und Amerikas, das über eine Lizenz zur Handhabung der erforderlichen Tritiummenge und über die notwendige Infrastruktur und Erfahrung im Umgang mit Tritium für eine solch komplexe Aufgabe verfügt. Alle im Zusammenhang mit der Tritiumquelle notwendigen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten werden durch das TLK durchgeführt bzw. vom TLK koordiniert. Alle tritiumführenden Teile von KATRIN sollen innerhalb des TLK untergebracht werden.