Mikrowellenabsorber-Schichten für Wendelstein W7-X

Fusionsenergie ist vielleicht einmal die Lösung unserer weltweiten Energieprobleme. Sie könnte für Jahrhunderte als nahezu unbegrenzte und CO₂ neutrale Energiequelle dienen. Aber die Technologie welche hinter der Fusionsenergie steht zählt immer noch zu einer der größten technischen Herausforderungen der Menschheit. Seit vielen Jahrzehnten wird intensiv an dieser Technologie geforscht, und Schritt für Schritt kommen wir dem Ziel näher. Der derzeit größte Fusionsreaktor nach dem sog. Stellaratorprinzip wird derzeit vom Max-Plank Institut für Plasmaphysik in Greifswald betrieben. Es handelt sich dabei um einen Forschungsreaktor um die Möglichkeiten des Plasmaeinschlusses, der Plasmaheizung und Aufrechterhaltung zu erforschen, welche notwendig sind um die Fusionsreaktion zu ermöglichen und am Laufen zu halten.

Ein 140 GHz Mikrowellen-Heizsystem wird benötigt, um das magnetisch im Torus eingeschlossene Plasma zu heizen und aufrecht zu erhalten. Während des Betriebs müssen dabei kontinuierlich gasförmige Reaktionsprodukte aus dem Plasma entfernt werden, dies geschieht mit Hilfe sog. Kryopumpen, welche in den Ring integriert sind. Sie arbeiten unter der Einwirkung der intensiven Mikrowellen-Streufeldstrahlung und benötigen daher Strahlenschutzsschilde. Wassergekühlte lamellenförmige Strahlenschutzbelche aus Kupfer stellen dabei die erste Schutzbarriere da. Sie schützen die dahinterliegenden Flüssigstickstoff- und heliumgekühlten Kryopumpen vor einer unerwünschten Erwärmung.

Die wassergekühlten Schutzschilde sollten daher die Mikrowellenstrahlung möglichst effizient und vollständig absorbieren. Um das Absorptionsvemögen zu optimieren, wurden am IFKB in Zusammenarbeit mit dem IPP in Greifswald und dem IPF (inzwischen IGVP) an der Universität Stuttgart spezielle oxidkeramische Absorberschichten entwickelt und getestet. Die Material­zusammensetzung und Schichtdicke wurden dabei auf den speziellen Mikrowellenstrahlungstyp bei 140 GHz optimiert. Die Schichten sind thermisch hoch belastbar und für den Betrieb im Ultrahochvakuum geeignet.

Die Absorption erreicht dabei 90%, abhängig vom Auftreffwinkel der Strahlung. Um die gesamte Oberfläche der Kupferlamellen zu beschichten, wurde das atmosphärische Plasmaspritzen (APS) am IFKB eingesetzt. Die Komplexität der Bauteilgeometrie erforderte dabei den Einsatz einer speziell entwickelten und robotergestützten Brennerkinematik.

P-570: FLORISTÁN, M.; GADOW, R.; GEBHARDT, A.; MÜLLER, P.; KILLINGER, A.; CARDELLA, A.; LI, C.; STADLER, R.; ZANGL, G.; HIRSCH, M.; LAQUA, H. P.; KASPAREK, W.: Development and testing of a 140 GHz absorber coating for the water baffle of W7-X cryopumps. In: Fusion Engineering and Design 86 (2011), S. 1847–1850, doi:10.1016/j.fusengdes.2010.12.015