Um die Prozesse innerhalb der Kernfusionsreaktoren zu analysieren und zu steuern, benötigen Fachleute sensible Messinstrumente. Maßgeblich hierbei ist die Bestimmung der aus dem Fusionsplasma abgestrahlten Leistung, wie das Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme (IMM) mitteilt.
Starke Wechsellasten zwischen Vakuum und Lüftung
Als Detektoren dienen Bolometer genannte Strahlungsdetektoren, und sie müssen auch unter extremen Bedingungen valide Daten liefern: „Wir haben hochenergetische Neutronen in einer sehr hohen Dichte, eine hohe Belastung durch besonders harte Röntgenstrahlen, extreme Temperaturen, Wechsellasten hinsichtlich Vakuum und Lüftung – alles Aspekte, die erhebliche Vorsicht in der Materialwahl erfordern“, erläutert Stefan Schmitt, Gruppenleiter Spezialsensorik am IMM.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, haben die Fachleute einen Siliziumchip in einer Größe von etwa 20 × 23 mm² entwickelt, auf dem sich vier Einzelsensoren befinden. Diese verfügen über je zwei Absorberflächen von 1,5 × 4 mm². Je einer dieser Absorber fängt das aus dem Plasma entlang einer engen Sichtlinie kommende Licht, wodurch sich dessen Temperatur erhöht. Diesen Anstieg messen Widerstandsmäander aus Platin auf der dem Absorber abgewandten Seite: Der Widerstand nimmt äquivalent zu. Auf diese Weise erfasst der Sensor die Strahlungsleistung im Plasma von Infrarot bis in den harten Röntgenbereich.
Diese Leistung können die Fachleute über die Messdaten der zahlreichen, im Reaktionsgefäß einander ergänzend ausgerichteten Sichtlinien räumlichen Punkten im Plasma zuordnen und somit ein Querschnittsprofil des Fusionsplasmas berechnen. Die am IMM gefertigten Siliziumchips werden hierfür in Kameras verbaut, bestehend aus einem Kopf, in dem der Chip eingesetzt wird, und einem Blendensystem. Die Kameras ermöglichen es, über die verschiedenen Messsignale einerseits zu beurteilen, wie gut die Plasmaregelung im Reaktor läuft, und andererseits die Gesamtenergiebilanz zu bestimmen.
Bolometer für spezifische Diagnostik
Eine Herausforderung waren die hohen Energien, die in einem Fusionsreaktor herrschen. Sie bewirken, dass die meisten Materialien einfach durchgestrahlt werden. Schmitts Forschungsteam gestaltete die Absorber aus Gold oder Platin daher vergleichsweise dick: Sie messen etwa 20 μm.
Der Leiter oder Widerstandsmäander besteht aus Platin, da sich das Material selbst bei hoher Strahlung nicht abändert. Durch die Verwendung von Goldabsorbern und speziellen Kohlenstoffbeschichtungen, welche auf dem Absorber noch besser das sichtbare Licht aufnehmen, gelang es den Wissenschaftlern, für jeden Einsatz mechanisch wie elektrisch hoch stabile Bolometer zu entwickeln, wie es in der Mitteilung des IMM heißt.
Diese Bolometer finden bereits Anwendung in renommierten Fusionsforschungsanlagen weltweit, darunter ASDEX Upgrade in Garching, Wendelstein 7-X in Greifswald und East in China. Zudem wurden sie für das weltweit größte Fusionsexperiment Iter am südfranzösischen Kernforschungszentrum Cadarache modifiziert.