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Projekte

Ursprünglich ist das Tritiumlabor Karlsruhe für die Entwicklung des Deuterium-Tritium-Brennstoffkreislaufes für Fusionsreaktoren konzipiert worden. Aktuell werden hier F&E Projekte im Bereich der Wasserdetritiierung in Kombination mit Isotopentrennung sowie an Blanket-Modulen durchgeführt.

Im Rahmen einer internationalen Kollaboration wurde das Experiment KATRIN zur Vermessung des β-Spektrums des Tritiums am und im Tritiumlabor aufgebaut. Zielsetzung ist die direkte und modellunabhängige Messung der Masse des Neutrions. Innerhalb der KATRIN-Kollaboration ist das Tritiumlabor verantwortlich für den wissenschaftlichen Betrieb des gesamten tritiumrelevanten Teils von KATRIN, inklusive notwendiger F&E-Arbeiten.

Im Folgenden wird das KATRIN Experiment sowie ITER erklärt. Weitere Projekte werden demnächst eingefügt.

 

KATRIN

Da Neutrinos die häufigsten Teilchen im Universum sind, ist ihre Masse ein wichtiger Faktor für viele Modelle und Berechnungen in der Kosmologie, z.B. für die Ausdehnung des Universums. Vor dem Start des internationalen Karlsruhe Tritium Neutrino Experimentes KATRIN   am KIT Campus Nord konnte in dem Mainzer Neutrinoexperiment eine maximale Obergrenze der Masse von 2,3 eV festgestellt werden. Durch die erste Messphase von KATRIN im Jahr 2019 konnte das Limit auf 1,1 eV verbessert werden. In den nächsten Jahren wird die Neutrinomasse weiterhin auf direkte und modellunabhängige Weise gemessen, bis schließlich die designte Sensitivität von 0,2 eV erreicht ist.

Um dieses Ziel zu erreichen wird der Endpunkt des Energiespektrums beim Beta-Zerfall extrem präzise vermessen. Im Vergleich zu früheren Experimenten wurden dabei Größe, Genauigkeit, aber auch die Menge des β-Emitters 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  ist im TLK aufgebaut.  Der tritiumfreie Teil, bestehend aus Vor- und Hauptspektrometer sowie einem Detektor, ist 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 β-Elektronen, aber auch für die Tritium-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 aus einem mit Tritiumgas gefüllten Rohr, welches sich in einem starken Magnetfeld (2,5 – 3,9 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 wieder in das Quellrohr eingespeist. Die Tritiumloops von KATRIN gewährleisten eine stabile Einspeisung in die WGTS und dienen als Schnittstelle zur Infrastruktur des TLK.

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. Dadurch wird der Tritiumfluss in Richtung der Spektrometer um mehr als 7 Größenordnungen reduziert. Einzelne Abschnitte zwischen den Pumpen sind dabei verwinkelt angeordnet um einen geradlinigen Durchgang der Moleküle zu verhindern.

Der zweite Teil der Transportstrecke wird CPS (Cryo-Pump-Strecke) genannt. Hier wird  auf das Strahlrohr eine Argonfrostschicht präpariert und sie anschließend auf 3 K (-270°C) abgekühlt.  Dadurch wird das einströmende Tritium, das in der DPS nicht abgepumpt wurde auf der kalten Argonoberfläche adsorbiert.

Das TLK ist das einzige wissenschaftliche Labor innerhalb der EU und Amerikas, das über eine Lizenz zur Handhabung der erforderlichen Tritiummenge und gleichzeitig 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 sind  innerhalb des TLK aufgebaut.

 

ITER: Der Brennstoffkreislauf von Fusionsreaktoren

In Fusionsreaktoren wird als Brennstoff ein Gemisch aus Deuterium und Tritium verwendet. 

Aus der Verschmelzung von einem Deuterium- und einem Tritium-Kern wird neben der Produktion von einem Neutron und Helium-Kern auch Energie frei, die dann in Strom umgewandelt werden soll.

Die technische Umsetzung der Kernfusion im Sinne der friedlichen Energiegewinnung gestaltet sich allerdings sehr schwierig und konnte noch nicht in einer Weise realisiert werden, dass es zur Energiebedarfsdeckung der Bevölkerung beitragen könnte.

Die Schwierigkeit liegt unter anderem darin, die nukleare Fusion unter Kontrolle zu halten, um den in jeder Hinsicht sicheren Betrieb des Reaktors zu gewährleisten.

 

 

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. Die Forschungsgemeinschaft rund um das Projekt ITER  soll die wissenschaftliche und technische Durchführbarkeit der Kernfusion als Energiequelle der Zukunft demonstrieren.

 

TRENTA (Wasserdetritiierung und kryogene Destillation)

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.