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Institut für Kernphysik (IKP)

Campus Nord

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Karlsruher Institut für Technologie
Institut für Kernphysik
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www.ikp.kit.edu

Anfahrt

Das Tritiumlabor Karlsruhe (TLK)

des Instituts für Kernphysik (IKP)
TLK Bild

Das Anfang der neunziger Jahre gegründete Tritiumlabor Karlsruhe (TLK) ist ein Halbtechnikum zur Handhabung und sicheren Einschließung des radioaktiven Wasserstoffisotops Tritium. Mit einer Umgangsgenehmigung für 40 g Tritium und einem momentanen Inventar von ca. 25 g ist das Labor mit seinen umfangreichen Infrastruktursystemen und Experimentieranlagen zweifelsfrei eine typische Einrichtung für ein Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft und weltweit beinahe einzigartig – lediglich Japan unterhält noch ein wissenschaftliches Labor mit vergleichbarem Tritiuminventar, aber wesentlich kleinerer Grundfläche. Das TLK findet seine Hauptaufgabe in den Großprojekten Neutrinophysik (KATRIN) und Fusionsforschung (ITER), außerdem noch in verschiedenen EU-Projekten. Mittlerweile kann das TLK auf mehr als 25 Jahre sicheren Betrieb mit Tritium zurückblicken.

 

Umgang mit Tritium im TLK

Der Umgang mit Tritium in technischem Rahmen fordert einen vollständig geschlossenen Tritiumkreislauf und eine adäquate Sicherheitstechnik. Das TLK verfügt daher über eine entsprechende Infrastruktur; das Tritium ist immer über mindestens zwei Barrieren zuverlässig eingeschlossen. Zusammen mit den Experimentierhallen verfügt das Labor über eine Gesamtfläche von 841 m² für Experimente bzw. 615 m² für Infrastruktur und betreibt aktuell mehr als zehn separate Handschuhkastensysteme mit einem gesamten Volumen von etwa 125 m³. Die Handschuhkästen dienen als zweite Hülle (Barriere) für die unmittelbar tritiumführenden Rohrleitungen und Komponenten. Nicht nur aus ökologischen, sondern auch aus ökonomischen Gründen muss jeder Tritiumkreislauf möglichst effizient ausgelegt sein. Grundsätzlich sollte das Tritiuminventar aufgabenspezifisch möglichst klein gehalten und gasförmige, flüssige oder feste Abfälle soweit als möglich detritiiert werden. Nur so ist die im Labor vorhandene Tritiummenge für Experimente nutzbar. Im Bild ist der geschlossene Tritiumkreislauf des TLK stark vereinfacht illustriert.

 

Tritium wird als Metallhydrid gespeichert aus Kanada angeliefert - es wird dort als Abfallprodukt aus schwerem Wasser, das in Kernkraftwerken als Moderator verwendet wird, abgetrennt. Die jeweils im TLK angelieferte Menge wird durch kalorimetrische Messung genau verifiziert und dann in das Lager transferiert. Durch Experimente wird es gegebenenfalls mit anderen Wasserstoffisotopen verdünnt, mit anderen Gasen vermischt oder zu tritiiertem Wasser (HTO) oder Kohlenwasserstoffen (Methan, CT4) umgesetzt. Die Anlage zur Tritiumrückgewinnung erzeugt zwei Gasströme - detriiertes Abfallgas und ein Gemisch aus den sechs Wasserstoffisotopologen. Aus letzterem wird reines Tritium durch den Prozess der Isotopentrennung zurückgewonnen und wieder im Lager gespeichert wird.
Das TLK arbeitet multidisziplinär und pflegt eine intensive Zusammenarbeit mit europäischen, amerikanischen und japanischen Wissenschaftlern und Ingenieuren, welche das Labor immer wieder auch in ausgewählten Experimentierkampagnen unmittelbar nutzen.
 

Infrastruktur

Das Tritiumlabor ist mit einer umfassenden Infrastruktur ausgestattet, die vornehmlich auf die Durchführung von technischen Experimenten ausgerichtet ist. Dazu gehören:

  • das Tritiumtransfersystem (TTS), über das Tritiumabgaben an Experimente, sowie an die übrigen Systeme der Tritiuminfrastruktur abgewickelt werden,
  • das Tritiumlager (TLG), in dem Tritium gespeichert wird, welches nicht aktuell in Experimenten oder anderen Einrichtungen der Infrastruktur eingesetzt wird,
  • die Anlage zur Tritiumrückgewinnung (CAPER), durch das Wasserstoffisotope von Verunreinigungen befreit werden,
  • die Tritiumanalytik (TMT), in der Gasproben auf ihre Zusammensetzung analysiert werden,
  • die Isotopentrennanlage (ISS), mit der Wasserstoff, Deuterium und Tritium voneinander separiert werden,
  • die Anlage zur Regenerierung von Molsieben (AMOR), die mit tritiiertem Wasser beladene Molsiebbetten aus den verschiedenen Tritiumrückhaltesystemen des TLK regeneriert.

 

Tritiumbilanzierung

Für die Bilanzierung von Tritium verfügt das TLK über vier auf unterschiedlichen Prinzipien basierende Kalorimeter. Diese Methoden begründen sich auf die Messung der Zerfallsleistung des Tritium β-Zerfalls von 0,324 W/g. Importiertes Tritium wird im TLK noch vor seinem Einsatz kalorimetrisch erfasst und die Messergebnisse mit den Angaben des Absenders verglichen. Erst nach dieser Überprüfung wird das Tritium in das Transfersystem bzw. in ein Experiment eingespeist. Die im TTS empfangene Tritiummenge kann mit einer volumetrischen Messmethode und gegebenenfalls einer zweiten kalorimetrischen Bestimmung des entleerten Transportbehälters verifiziert werden. Jeder Transfer von Tritium innerhalb des Tritiumlabors beinhaltet auch eine Bestimmung der zu transferierenden Tritiummenge.

 

Geschichte

1984 Erstes Grobkonzept für ein Tritiumlabor
1987 Vergabe erster Gewerke an die Industrie
1992

Erste Abnahmeprüfung einzelner Gewerke durch den Gutachter

  • Realisierung von Sicherungsmaßnahmen im TLK
  • Erste Anlieferung von Tritium aus Kanada
1993

Einweihung des TLK

Genehmigung durch das Umweltministerium für den Umgang mit 10 g Tritium

1995

Tritiumversuche mit PETRA und CAPRICE

Erhöhung der Umgangsmenge auf 20 g Tritium

1996 Erhöhung der Umgangsgenehmigung auf 40 g Tritium
2001

Entscheidung für das Tritiumlabor als Standort für KATRIN

Vorschlag für den ITER-Brennstoffkreislauf

2006 Anlieferung des KATRIN Hauptspektrometers
2007

Neue Umgangsgenehmigung ersetzt alle bisherigen Teilgenehmigungen

  • Erhöhung der Umgangsmenge für gasförmiges Tritium auf 25 g
  • Miteinbeziehung zukünftiger Kalibrierquellen für KATRIN
2010 Anlieferung des KATRIN WGTS-Demonstrators für Cryotest
2015 Anlieferung der KATRIN WGTS und CPS
2016 KATRIN First Light Messungen
2018 Inbetriebnahme von KATRIN mit ersten Tritiummessungen
2019 Tritiumzirkulation von insgesamt 2,8 kg im Rahmen von KATRIN