Blanket

Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unter Blanket (Begriffsklärung) aufgeführt.

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. Bei Brutreaktoren hat sich jedoch hierfür im Deutschen der Begriff „Brutmantel“ eingebürgert.

Energiegewinnung

Im Blanket geben die bei der Kernfusionsreaktion von Tritium und Deuterium entstandenen Neutronen ihre Bewegungsenergie durch Stöße an Atomkerne ab. Diese Nutzenergie erhöht sich in den neueren Blanketkonzepten (s. u.) noch um rund 25 % durch den Energiegewinn der Brutreaktion am Li-6. Die entstehende Wärme wird durch ein Kühlmittel abgeführt und z. B. in einem konventionellen Dampfkreislauf mit Turbine und Generator genutzt, um elektrische Energie zu gewinnen.

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 nicht als natürliche Ressource vorhanden. Er lässt sich jedoch aus dem häufigen Element Lithium mittels Neutronen gewinnen. Die dafür erforderlichen Neutronen stehen ohnehin nach Abgabe ihrer Energie als „Abfall“ des Fusionsreaktors zur Verfügung. Für eine Fusionsenergiegewinnung im Großen ist das "Brüten" sogar zwingend notwendig, denn es gibt keine andere Methode, 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 realistischen, sicherheitstechnisch vertretbaren Konstruktionen wegen des Energiespektrums der Neutronen im Blanket die ⁷Li-Brutreaktion nur eine geringe Rolle spielt. 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, da die Fusionsreaktion nur genau 1 Neutron pro verbrauchtem Tritiumatom liefert. 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.

Abschirmung

Die dritte Aufgabe des Blankets ist die Abschirmung vor allem der supraleitenden Magnetspulen gegen die Neutronen.

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

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. In: 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. In: Fusion Engineering and Design. Bd. 61-62, (2002), S. 449–453.

Siehe auch

Two Fluid Flüssigsalzreaktor
Brutmantel des Brutreaktors