Der Neutronenhammer der Fusion: Die Auswirkungen auf das Design

Während die Fusionsenergie immer näher an die kommerzielle Realität heranrückt, zeichnet sich ein zentrales technisches Problem ab: der extreme Neutronenfluss, der den inneren Kern der Reaktoren beschießt und die Langlebigkeit kritischer Komponenten bedroht, insbesondere Dichtungen, Strukturmaterialien und Vakuumbehälter. Für einige Reaktoren der ersten Generation wie SPARC könnte dies bedeuten, dass wichtige Teile jedes Jahr ausgetauscht werden müssen. Aber neue Konzepte wie ARC schlagen alternative Lösungen vor, wie die FLiBe-Flüssigkeitsmatten, um dieses Problem zu entschärfen.

SPARC: Der Neutronenhammer der Fusion

SPARC, entwickelt von Commonwealth Fusion Systems, ist einer der fortschrittlichsten Hochfeld-Tokamak-Prototypen der Welt. Es wird erwartet, dass er bis 2026 die Plasmabremse (Q > 1) erreicht. Aufgrund seiner kompakten Größe und der hohen Magnetfelder (bis zu 12 T) übersteigt der Neutronenfluss jedoch bei weitem die in industriellen Kernkraftwerken für die Stromerzeugung üblichen Werte.

Wartung und Versiegelung: Der verborgene Engpass

Dieser intensive Fluss führt zu einer schnellen Aktivierung der Strukturmaterialien, Versprödung, Heliumquellung und einer Herausforderung für die Integrität der Dichtungsfunktionen. Die Wartung oder der Austausch von Dichtungen unter solchen Bedingungen erfordert eine vollständige Abschaltung und ein Eingreifen aus der Ferne, was kostspielig und zeitaufwändig ist. Ohne eine heiße Zelle oder eine robotergestützte Wartungsinfrastruktur wird dies zu einer kritischen Einschränkung.

ARC: Überwindung des Neutronenflusses mit FLiBe

Das Nachfolgeprodukt von SPARC, ARC, wurde im Hinblick auf diese Herausforderung entwickelt. Es führt eine Flüssigtauchdecke aus FLiBe (einer Mischung aus Lithiumfluorid und Berylliumfluorid) ein.

Was FLiBe tut

• Moderation und Absorption von Neutronen: Schützt die Strukturmaterialien und das Vakuumgefäß.
• Tritiumzucht: Lithium in FLiBe brütet unter Neutronenbeschuss Tritium. Das heißt, es kann das für die Fusionsreaktion benötigte Tritium erzeugen.
• Wärmeübertragungsmedium: Funktioniert effizient bei 700-900°C ohne hohe Drücke.

Neue materielle Herausforderungen tauchen auf

Bei der Lösung von Neutronenherausforderungen bei den Materialien bringt FLiBe seine eigenen technischen Zwänge mit sich:

• Hohe Betriebstemperaturen (~850°C) erfordern Materialien mit ausgezeichneter thermischer und chemischer Beständigkeit.
• Zu den kompatiblen Materialien gehören:
• Nickelbasislegierungen wie Hastelloy-N oder Inconel für bessere Korrosionsbeständigkeit in geschmolzenem Salz.
• SiC/SiC-Verbundwerkstoffe: Neutronenbeständig und FLiBe-kompatibel (aber teuer und spröde).
• Graphit oder beschichtete Refraktärmetalle (z. B. Molybdän, Wolfram).
• Dichtungsmaterialien müssen thermischen Wechselbeanspruchungen, chemischer Korrosion und potenzieller Tritiumpermeation widerstehen, was die Konstrukteure zu strukturierten Metalldichtungen (wie HELICOFLEX von Technetics) drängt.^® TEXEAL^®).

Reifegrad von FLiBe und breitere Akzeptanz

Trotz vielversprechender theoretischer Leistungen sind FLiBe-Gummitücher noch nicht industriell ausgereift. Zu den wichtigsten Bereichen der laufenden Entwicklung gehören:

• Redox-Kontrollsysteme zur Vermeidung von Salzzersetzung und Korrosion.
• Tritiumextraktionssysteme aus geschmolzenen Salzen.
• Technologien zur Fernbehandlung und Salzreinigung.

Die Dynamik nimmt jedoch zu:

• ARC ist der am weitesten fortgeschrittene Benutzer.
• Xcimer Energy (Laserfusion) erforscht FLiBe als Neutronenschild.
• MoltexFLEX und TMSR-LF1 (China) setzen ähnliche Salze in Spalt-MSRs ein.

Dieser Trend zeigt eine klare Verschiebung in der Industrie: Flüssigmäntel werden die Zukunft der dauerhaften Fusionsreaktorarchitektur sein, da sie eine bessere Betriebszeit, Abschirmung und Integrationsmöglichkeiten bieten, allerdings auf Kosten einer höheren chemischen und thermischen Komplexität.

Die Fusionsindustrie steht vor einem entscheidenden Moment: Werden die Reaktorkerne ihrer eigenen Kraft standhalten? Während SPARC die technischen Schwachstellen der Tokamaks der ersten Generation aufzeigt, insbesondere in Bezug auf Wartung, Abdichtung und Materialermüdung, werden diese bei Konstruktionen der nächsten Generation wie ARC durch FLiBe überwunden. Da FLiBe jedoch für die Zukunft der Kernfusion von zentraler Bedeutung ist, muss die Branche nun Lösungen für Korrosion, Tritiummanagement und die Integration von Hochtemperaturmaterialien finden.