Blanket

Das Blanket (englisch für Decke, Hülle) ist der äußere Teil eines Kernfusionsreaktors und umschließt das – in den meisten Reaktorkonzepten torusförmige – Plasma-Gefäß.

Im englischen Sprachgebrauch bezeichnet "blanket" auch die Außenzonen von Kernspaltungsreaktoren, z. B. Neutronenreflektor- oder Brutzonen, sowie bestimmte Zonen in Flüssigsalzreaktor-Konzepten. Bei Brutreaktoren hat sich jedoch hierfür im Deutschen der Begriff „Brutmantel“ eingebürgert.

Energieumwandlung

Im Blanket geben die bei der Kernfusionsreaktion von Tritium und Deuterium freigesetzten schnellen Neutronen ihre Bewegungsenergie durch elastische und unelastische Stöße an Atomkerne ab. Diese Nutzenergie erhöht sich in den neueren Blanketkonzepten (s. u.) noch um rund 25 % durch den Energiegewinn der Brutreaktion (siehe unten). Es entsteht Wärme; diese wird durch ein Kühlmittel abgeführt und z. B. in einem konventionellen Dampfkreislauf mit Turbine und Generator genutzt, um elektrische Energie zu gewinnen.

Neutronenbilanz, Tritiumbrüten

Die zweite Aufgabe des Blankets ist das Erbrüten von Tritium aus Lithium. Das Brutreaktorkonzept bietet sich für Fusionsreaktoren an, denn der Fusionsbrennstoff Tritium (³H) ist als natürliche Ressource nur in kleinster Menge vorhanden. Er lässt sich jedoch aus dem häufigen Element Lithium mittels Neutronen gewinnen, und Neutronen stehen im Fusionsreaktor nach Abgabe ihrer Energie ohnehin als „Abfall“ zur Verfügung. Für eine Fusionsenergiegewinnung im Großen ist dieser Brutprozess sogar zwingend notwendig, denn es gibt kaum andere Methoden, die nötigen Tritiummengen wirtschaftlich zu erzeugen.

Brutreaktionen treten an beiden Lithium-Isotopen, dem selteneren ⁶Li (7,5 %) und dem häufigeren ⁷Li (92,5 %) auf:

$^6\mathrm{Li} + \mathrm{n} \ \rightarrow \ ^4 \mathrm{He} + {}^3\mathrm{H} + 4{,}8 \; \mathrm{MeV}$

$^7\mathrm{Li} + \mathrm{n} \ \rightarrow \ ^4 \mathrm{He} + {}^3\mathrm{H} + \mathrm{n}' - 2{,}5 \; \mathrm{MeV}$

Die endotherme (siehe Kernreaktionen) Reaktion am ⁷Li hat zwar den Vorteil, dass das Neutron nicht verbraucht, sondern mit verringerter Energie wieder freigesetzt wird (wegen seiner verringerten Energie ist es in der Formel mit n' bezeichnet, zum Unterschied vom ursprünglichen Neutron n). Es steht daher grundsätzlich noch für eine zweite Reaktion am ⁶Li zur Verfügung. Der Nachteil der ⁷Li-Reaktion ist jedoch ihre hohe Energieschwelle. Diese hat zur Folge, dass in den moderneren Entwürfen wegen des Energiespektrums der Neutronen im Blanket die ⁷Li-Brutreaktion nur eine geringe Rolle spielen kann. Daher wird die Verwendung von auf z. B. 50 % ⁶Li angereichertem Lithium vorgesehen. Die exotherme und daher mit langsamen Neutronen mögliche Brutreaktion am ⁶Li hat den Nebeneffekt eines beachtlichen Energiegewinns von 4,8 MeV, der zur Fusionsenergieausbeute hinzukommt.

Neutronenvermehrung

Mit den Fusionsneutronen alleine ist ein Tritiumbrüten mit Überschuss, der die unvermeidlichen Neutronen- und Verarbeitungsverluste decken könnte, nicht möglich, denn die Fusionsreaktion liefert pro verbrauchtem Tritiumatom nur genau 1 Neutron. Deshalb müssen die Neutronen im Blanket um etwa 30 % bis 50 % vermehrt werden. Hierzu eignen sich Beryllium oder Blei, da die (n,2n)-Kernreaktion an diesen Materialien relativ niedrige Energieschwellen hat.

Beispielsweise ist die (n,2n)-Kernreaktion am Beryllium

$\mathrm{\,^9Be + n \rightarrow 2\, \,^4He + 2\,n - 1,57\,MeV}$.

Beide freigesetzten Neutronen haben in der Praxis viel geringere Energien als die Fusionsneutronen -- insbesondere, weil das leichte Nuklid Beryllium auch als Moderator wirkt --, können aber durch Reaktion mit ⁶Li Tritium erzeugen.

Kommerzielle Fusionsreaktoren müssen so ausgelegt werden, dass trotz der genannten Neutronenverluste eine leichte Tritium-Überproduktion möglich ist. Über den Anreicherungsgrad des Lithiums kann dann das Tritium-Brutverhältnis ein- und nachgeregelt werden.

Energiebilanz

Der genaue Nutzenergiegewinn pro Fusionsreaktion hängt etwas von der Blanketkonstruktion ab. Die anfängliche Energie des Fusionsneutrons beträgt im Mittel 14,1 MeV. Hinzu kommen 4,8 MeV aus der ⁶Li-Brutreaktion. Abzuziehen ist für einen Großteil der Fusionsneutronen der Energieverlust der Berylliumreaktion (1,6 MeV) sowie Energiebeträge, die in sonstigen, unvermeidlichen Neutronenabsorptionen verloren gehen, soweit sie sich technisch nicht als Wärme nutzen lassen. Insgesamt ergibt sich aus jeder einzelnen DT-Reaktion eine nutzbare Energie von je nach Konstruktion etwa 17 MeV.

Abschirmung

Die dritte Aufgabe des Blankets ist die Abschirmung vor allem der supraleitenden Magnetspulen gegen die Neutronen. Die schnellen Neutronen geben ihre Energie hauptsächlich in unelastischen Stößen in z. B. Eisen (Stahl) ab. Die sonst in Neutronenabschirmungen hinter dem Eisen angeordneten Moderator- und Absorberschichten bestehen hier wegen der Tritiumgewinnung möglichst überall aus Neutronenvermehrungs- und lithiumhaltigem Material.

Technische Blanketkonzepte

Bis etwa 1980 wurden Konzepte betrachtet, in denen das Blanket ein mit reinem Lithium gefüllter Tank war. Die Kühlung (Energieabfuhr) konnte durch ein getrenntes, in Rohren geführtes Kühlmittel erfolgen, oder das Lithium konnte als Flüssigmetall selbst zugleich Kühlmittel sein, indem es mittels Pumpen durch Wärmetauscher umgewälzt wurde.

Metallisches Lithium wirkt jedoch, insbesondere als heiße Schmelze, korrosiv auf andere Metalle und stellt ein Sicherheitsrisiko dar, denn es reagiert chemisch heftig mit Luft oder Wasser, ähnlich dem Kühlmittel Natrium in Spaltungs-Brutreaktoren. Die Lithiummenge im Fusionsreaktor wäre viel größer als die Natriummenge eines Spaltungsbrutreaktors gleicher Leistung. In den realistischeren Blanketkonzepten wird deshalb

• entweder eine keramische Lithiumverbindung (Oxid, Carbonat oder Silikat) als Brutmaterial vorgesehen, zusammen mit Berylliumteilen zur Neutronenvermehrung und Heliumgas als Kühlmittel,
• oder eine flüssige Blei-Lithium-Legierung, die als Neutronenvermehrer und Brutmaterial zugleich wirkt und chemisch viel weniger aggressiv als reines Lithium ist. Dieses Flüssigmetall könnte auch die Rolle des Kühlmittels übernehmen; allerdings führt dies im Magnetfeld des Fusionsreaktors zu Schwierigkeiten wegen der magnetohydrodynamischen Bremsung. Einfacher realisierbar erscheinen daher Konzepte mit unbewegtem Blei-Lithium und getrenntem Kühlkreislauf mit z. B. Wasser oder Helium.

Literatur

• A. A. Harms, K. F. Schoepf, G. H. Miley, D. R. Kingdon: Principles of Fusion Energy. World Scientific, Singapur 2000, ISBN 981-02-4335-9
• W. M. Stacey: Fusion. 2. Auflage. Wiley, Weinheim 2010, ISBN 978-3-527-40967-9. (eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche)
• G. McCracken, P. Stott: Fusion – the Energy of the Universe. 2. Auflage. Elsevier, München 2012, ISBN 978-0-12-384656-3. (Eine auch für Laien verständliche Übersicht)

Entwurf für ein Blanket mit keramischem Brutmaterial:

• M. Dalle Donne (Hrsg.): European DEMO BOT solid breeder blanket. Kernforschungszentrum Karlsruhe, 1994, DNB 944269257. (Report KfK-5429)
• U. Fischer, H. Tsige-Tamirat: Activation characteristics of a solid breeder blanket for a fusion power demonstration reactor. Journal of Nuclear Materials, Bd. 307-311, (2002), S. 798–802.

Entwurf für ein Blanket mit Blei-Lithium als Brutmaterial:

• P. Norajitra, L. Bühler, U. Fischer u. a.: The EU advanced dual coolant blanket concept. Fusion Engineering and Design, Bd. 61-62, (2002), S. 449–453.