Vakuumtechnologie und Kryovakuumtechnik
Im Rahmen der Entwicklung neuartiger Systeme und Technologien für den Brennstoffkreislauf eines Fusionskraftwerks arbeiten wir an der sogenannten Metallfolienpumpe (MFP) sowie an Diffusions- und Ringpumpen. Hierbei hat die MFP die Aufgabe, den Großteil des unverbrauchten Wasserstoffs (Deuterium und Tritium) im Abgasstrom des Reaktors abzutrennen, um diesen direkt als Brennstoff wieder zuzuführen. Dies hat eine drastische Reduktion des Tritiuminventars der gesamten Anlage und deutlich kleinere Gasaufbereitungsanlagen im Umfeld des Reaktors zum Ziel. Die MFP selbst basiert auf dem Prinzip der Superpermeation, einem Prozess, der nach zusätzlicher energetischer Anregung in einem kalten Plasma ausschließlich Wasserstoffisotope durch eine Metallfolie treten lässt. Da dieser Prozess im Gegensatz zu konventioneller Permeation auch bei den vorliegenden niedrigen Drücken funktioniert, selbst gegen einen Druckgradienten, wird diese Separationseinheit für Wasserstoff-Metallfolienpumpe genannt.
Die zusätzlich benötigten Vakuumpumpen hinter der Separationsstufe der MFP sind Diffusionspumpen und mechanische Vorpumpen. Hier besteht die Herausforderung darin, tritium-kompatible Pumpen zu entwickeln. Dafür wurde eine lineare Diffusionspumpe und eine Flüssigkeitsringpumpe entworfen, die für den Betrieb mit Quecksilber als Arbeitsfluid weiterentwickelt wurden. Dies war nötig, weil die üblichen Betriebsmittel Öl bzw. Wasser im Reaktor schnell tritiiert würden.
Alle diese Entwicklungen basieren permanent auf Simulationen des Reaktorverhaltens bezüglich der Pumpbarkeit verschiedener Divertordesigns der Maschine, der Strömungsverhältnisse zu und in den Separations- und Pumpeinheiten sowie der zu erwartenden Mischungen und Verunreinigungen, die gehandhabt werden müssen. Diese Interaktion zwischen Vorhersage, Auslegung, Optimierung und angepasster, zielgerichteter Technologieentwicklung ist unser Weg zu umfassenden Lösungen für das Fusionskraftwerk.
Unser Engagement für Vakuumlösungen in der Fusion startete bereits vor über 20 Jahren mit der Entwicklung maßgeschneiderter Kryopumpen für verschiedene Einsatzzwecke in ITER und vielen weiteren Fusionsanlagen. Kryopumpen pumpen dabei Gase durch Adsorption an kalten Oberflächen. Diese Expertise ist nach wie vor vorhanden und wird von uns, obwohl für die Zukunft der Fusion wahrscheinlich nicht mehr relevant, weiterhin erhalten und eingebracht. Aktuell unterstützen wir die Entwicklung des Einstein-Teleskops, des geplanten und in Entwicklung befindlichen europäischen Gravitationswellenobservatoriums der dritten Generation. Hier simulieren wir die extremen Vakuumanforderungen und setzen die Ergebnisse in ein Kryopumpen-Konzept für das gesamte Interferometer um, das es uns schon in dieser frühen Phase erlaubt, Aussagen zur benötigten kryogenen Infrastruktur zu treffen.
Unsere Kompetenz
- Entwicklung der sog. Metallfolienpumpe, dem Herzstück des DIR-Konzepts zur Tritiuminventarreduzierung eines Fusionsbrennstoffkreislaufs
- Entwicklung von tritiumkompatiblen Vakuumpumpen mit Quecksilber als Arbeitsmedium
- Entwicklung maßgeschneiderter Kryopumpen beliebigen Saugvermögens
- Simulationen von verdünnten Gasströmungen, Entwicklung entsprechender Codes
- Auslegung von allen Arten von Vakuumsystemen (vom Mikroreaktor bis zum Teilchenbeschleuniger)
- Aufbau und Betrieb von Versuchsanlagen
Langzeitprojekte
- Entwicklung von kryogenen und nicht-kryogenen Vakuumpumpen für die Kernfusion
- Entwicklung von Kryopumpen für das Einstein-Teleskop
- Untersuchung und Entwicklung von sehr großen NEG-Pumpen als Ersatz für Kryopumpen
Forschungsinfrastruktur:
- Anlagen HERMESloom und HERMEStecc zur Untersuchung von Superpermeation bei niedrigem Druck und unter äußerem Magnetfeld
bzw. zur Unterstützung der Metallfolienpumpenentwicklung