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<!DOCTYPE html>

<title>Blanket</title>

</head>

<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Blanket</span></h1>

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</div>

<p>Das <b>Blanket</b> (englisch für <i>Decke, Hülle</i>) eines <a href="Kernfusionsreaktor" title="Kernfusionsreaktor">Kernfusionsreaktors</a> liegt innerhalb des Vakuumgefäßes um das <a href="Plasma_(Physik)" title="Plasma (Physik)">Plasma</a>. Es schützt die außerhalb liegenden supraleitenden Spulen und andere Teile vor Hitze und Strahlung. In zukünftigen Fusionskraftwerken soll es weiterhin die gewonnene Neutronenenergie in Wärmeenergie überführen und ist damit Teil des ersten Kühlkreislaufs. Zudem soll das Blanket den Brennstoff <a href="Tritium" title="Tritium">Tritium</a> aus <a href="Lithium" title="Lithium">Lithium</a> erbrüten.<sup id="cite_ref-1" class="reference"><a href="#cite_note-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Modularer_Aufbau,_Werkstoffe"><span id="Modularer_Aufbau.2C_Werkstoffe"></span>Modularer Aufbau, Werkstoffe</h2></div>

<p>Das Blanket muss aus trennbaren Abschnitten (<a href="Modularit%C3%A4t" title="Modularität">Modulen</a>) bestehen, die für ihren Austausch durch Öffnungen des Vakuumgefäßes passen. Dieser Austausch wird bei Leistungsreaktoren wegen der radioaktiv gewordenen Teile ferngesteuert durch <a href="Manipulator" title="Manipulator">Manipulatoren</a> erfolgen müssen.

</p><p>Plasmaseitig sind Blankets mit <a href="Wolfram" title="Wolfram">Wolfram</a> oder <a href="Beryllium" title="Beryllium">Beryllium</a> -- Metallen mit sehr hoher Schmelztemperatur -- beschichtet. Bei manchen Konstruktionen ist eine so beschichtete <i>erste Wand</i> separat tauschbar.

</p><p>Blankets für Leistungsreaktoren müssen Komponenten zum Erbrüten von Tritium und einen Spülkreislauf zur Extraktion des Tritiums enthalten und insgesamt aus niedrigaktivierbaren Werkstoffen bestehen (siehe <a href="Kernfusionsreaktor#Anforderungen" title="Kernfusionsreaktor">Kernfusionsreaktor#Anforderungen</a>); insbesondere kann <a href="Nickel" title="Nickel">Nickel</a> als Stahlbestandteil nicht verwendet werden, da es unter Bestrahlung mit schnellen Neutronen das relativ langlebig radioaktive <span style="white-space:nowrap"><a href="Cobalt" title="Cobalt">Cobalt</a>-60</span> bildet.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Energieumwandlung">Energieumwandlung</h2></div>

<p>Im Blanket geben die bei der <a href="Kernfusion" title="Kernfusion">Kernfusionsreaktion</a> von <a href="Tritium" title="Tritium">Tritium</a> und <a href="Deuterium" title="Deuterium">Deuterium</a> freigesetzten schnellen <a href="Neutron" title="Neutron">Neutronen</a> ihre Bewegungsenergie durch elastische und unelastische Stöße an Atomkerne ab. Diese Nutzenergie erhöht sich noch um rund 20 % durch den Energiegewinn der Brutreaktion (siehe unten). Die Wärme wird durch ein Kühlmittel abgeführt und z. B. in einem konventionellen Dampfkreislauf mit Turbine und Generator genutzt, um elektrische Energie zu gewinnen.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Neutronenbilanz,_Tritiumbrüten"><span id="Neutronenbilanz.2C_Tritiumbr.C3.BCten"></span>Neutronenbilanz, Tritiumbrüten</h2></div>

<p>Die zweite Aufgabe des Blankets ist das Erbrüten von <a href="Tritium" title="Tritium">Tritium</a> aus <a href="Lithium" title="Lithium">Lithium</a>. Das Brutreaktorkonzept bietet sich für Fusionsreaktoren an, denn der Fusionsbrennstoff Tritium (<sup>3</sup>H) ist als natürliche Ressource nur in kleinster Menge vorhanden. Er lässt sich jedoch aus dem häufigen Element Lithium mittels Neutronen gewinnen, und Neutronen stehen im Fusionsreaktor nach Abgabe ihrer Energie ohnehin als „Abfall“ zur Verfügung. Für eine Fusionsenergiegewinnung im Großen ist dieser Brutprozess sogar zwingend notwendig, denn es gibt kaum andere Methoden, die nötigen Tritiummengen wirtschaftlich zu erzeugen.

</p><p>Brutreaktionen treten an beiden Lithium-<a href="Isotop" title="Isotop">Isotopen</a>, dem selteneren <sup>6</sup>Li (7,5 %) und dem häufigeren <sup>7</sup>Li (92,5 %) auf:

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle ^{6}\mathrm {Li} +\mathrm {n} \ \rightarrow \ ^{4}\mathrm {He} +{}^{3}\mathrm {H} +4{,}8\;\mathrm {MeV} }</annotation>

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</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/15dd4aab49a4eed9ab7c997c0dfb5d603f1b7120.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:32.893ex; height:3.009ex;" alt="{\displaystyle ^{6}\mathrm {Li} +\mathrm {n} \ \rightarrow \ ^{4}\mathrm {He} +{}^{3}\mathrm {H} +4{,}8\;\mathrm {MeV} }" loading="lazy"></span></dd>

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle ^{7}\mathrm {Li} +\mathrm {n} \ \rightarrow \ ^{4}\mathrm {He} +{}^{3}\mathrm {H} +\mathrm {n} '-2{,}5\;\mathrm {MeV} }</annotation>

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</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/1545266585b9f7e51dfab9ef9e5f4ab34883b3b1.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:37.711ex; height:3.009ex;" alt="{\displaystyle ^{7}\mathrm {Li} +\mathrm {n} \ \rightarrow \ ^{4}\mathrm {He} +{}^{3}\mathrm {H} +\mathrm {n} '-2{,}5\;\mathrm {MeV} }" loading="lazy"></span></dd></dl>

<p>Die endotherme <i>(siehe <a href="Kernreaktion" title="Kernreaktion">Kernreaktionen</a>)</i> Reaktion am <sup>7</sup>Li hat zwar den Vorteil, dass das Neutron nicht verbraucht, sondern mit verringerter Energie wieder freigesetzt wird (wegen seiner verringerten Energie ist es in der Formel mit n' bezeichnet, zum Unterschied vom ursprünglichen Neutron n). Es steht daher grundsätzlich noch für eine zweite Reaktion am <sup>6</sup>Li zur Verfügung. Der Nachteil der <sup>7</sup>Li-Reaktion ist jedoch ihre hohe <a href="Schwellenenergie" title="Schwellenenergie">Energieschwelle</a>. Diese hat zur Folge, dass in den moderneren Entwürfen wegen des <a href="Neutronenspektrum" class="mw-redirect" title="Neutronenspektrum">Neutronenspektrums</a> im Blanket die <sup>7</sup>Li-Brutreaktion nur eine geringe Rolle spielen kann. Daher wird die Verwendung von Lithium vorgesehen, das auf bis zu 90 % <sup>6</sup>Li angereichert ist.<sup id="cite_ref-UFi2010_2-0" class="reference"><a href="#cite_note-UFi2010-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Die exotherme und daher mit langsamen Neutronen mögliche Brutreaktion am <sup>6</sup>Li hat den Nebeneffekt eines beachtlichen Energiegewinns von 4,8 <a href="Elektronenvolt" title="Elektronenvolt">MeV</a>, der zur Energieausbeute der Fusionsreaktion hinzukommt. Über den Anreicherungsgrad des Lithiums kann dann das Tritium-Brutverhältnis ein- und nachgeregelt werden.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Neutronenvermehrung">Neutronenvermehrung</h3></div>

<p>Mit den Fusionsneutronen allein ist ein Tritiumbrüten mit Überschuss nicht möglich, denn die Fusionsreaktion liefert pro verbrauchtem Fusionspaar (ein Tritium- und ein Deuteriumatom) nur genau ein Neutron. Ein Teil der Neutronen geht durch Absorption im Strukturmaterial und durch Leckage nach außen verloren. Auch kann das erzeugte Tritium nicht vollständig extrahiert werden, ein kleiner Anteil zerfällt radioaktiv.

</p><p>Kommerzielle Fusionsreaktoren müssen so ausgelegt werden, dass trotz der genannten Verluste eine leichte Tritium-Überproduktion möglich ist. Deshalb müssen die Neutronen im Blanket um etwa 30 % bis 50 % vermehrt werden. Hierzu eignet sich die (n,2n)-Kernreaktion an <a href="Beryllium" title="Beryllium">Beryllium</a> oder <a href="Blei" title="Blei">Blei</a>, da sie an diesen Materialien relativ niedrige Energieschwellen hat. Beispielsweise ist die (n,2n)-Kernreaktion am Beryllium

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle \mathrm {\,^{9}Be+n\rightarrow 2\,\,^{4}He+2\,n-1{,}57\;MeV} }</annotation>

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</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/11288191efc52533693b576b95bea621690cd735.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:35.841ex; height:3.009ex;" alt="{\displaystyle \mathrm {\,^{9}Be+n\rightarrow 2\,\,^{4}He+2\,n-1{,}57\;MeV} }" loading="lazy"></span>.</dd></dl>

<p>Beide freigesetzten Neutronen haben viel geringere Energien als die Fusionsneutronen (das leichte Nuklid Beryllium wirkt zusätzlich auch als <a href="Moderator_(Physik)" title="Moderator (Physik)">Moderator</a>), können aber durch Reaktion mit <sup>6</sup>Li Tritium erzeugen.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Energiebilanz">Energiebilanz</h2></div>

<p>Der genaue Nutzenergiegewinn pro Fusionsreaktion hängt etwas von der Blanketkonstruktion ab. Die anfängliche Energie des Fusionsneutrons beträgt im Mittel 14,1 MeV. Hinzu kommen 4,8 MeV aus der <sup>6</sup>Li-Brutreaktion. Abzuziehen ist für einen Großteil der Fusionsneutronen der Energieverlust der Neutronenvermehrungs-Reaktion (rund 2 MeV) sowie Energiebeträge, die in sonstigen, unvermeidlichen Neutronenabsorptionen verloren gehen, soweit sie sich technisch nicht als Wärme nutzen lassen.

</p><p>Die detaillierte Analyse<sup id="cite_ref-UFi2010_2-1" class="reference"><a href="#cite_note-UFi2010-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> eines DEMO-Entwurfs mit heliumgekühltem Lithium-Blei-Blanket (siehe unten) ergab eine Energiemultiplikation von 1,17, also pro einzelner DT-Reaktion im Mittel eine nutzbare Energie von etwa 16,5 MeV.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Abschirmung">Abschirmung</h2></div>

<p>Die zum Tritiumbrüten dienenden Blanketteile, die direkt hinter der dem Plasma zugekehrten „ersten Wand“ liegen, schwächen den totalen <a href="Neutronenfluss" title="Neutronenfluss">Neutronenfluss</a> nur um rund einen Faktor 10 ab; allerdings ist das Energiespektrum der Neutronen dahinter „weicher“ als in der ersten Wand, da der größte Teil der kinetischen Energie der Neutronen in diesem Teil abgegeben wird. Die ausreichende <a href="Abschirmung_(Strahlung)" title="Abschirmung (Strahlung)">Abschirmung</a> der dahinter gelegenen Teile ist die dritte Aufgabe des Blankets, denn verbleibende schnelle Neutronen erzeugen durch elastische Streuung <a href="Versetzungsschaden" class="mw-redirect" title="Versetzungsschaden">Versetzungsschaden</a> und durch Kernreaktionen radioaktive Nuklide infolge <a href="Neutronenaktivierung" title="Neutronenaktivierung">Neutronenaktivierung</a>, die ebenfalls möglichst gering gehalten werden muss. Am wichtigsten ist die Minimierung von Strahlenschäden in den Magnetspulen, sowohl in den <a href="Supraleitung" class="mw-redirect" title="Supraleitung">Supraleiter</a>-Fasern als auch in dem sie zur <a href="Supraleiter#Erzeugung_starker_Magnetfelder" title="Supraleiter">Stabilisierung</a> umgebenden Kupfer.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Technische_Blanketkonzepte">Technische Blanketkonzepte</h2></div>

<p>In den ältesten Konzepten für Fusionskraftwerke, etwa bis 1980, war das Blanket ein mit reinem Lithium gefüllter Tank. Die Kühlung (Energieabfuhr) konnte durch ein getrenntes, in Rohren geführtes Kühlmittel erfolgen, oder das Lithium konnte als Flüssigmetall selbst zugleich Kühlmittel sein, indem es mittels Pumpen durch Wärmetauscher umgewälzt wurde.

</p><p>Metallisches Lithium wirkt jedoch, insbesondere als heiße Schmelze, korrosiv auf andere Metalle und stellt ein Sicherheitsrisiko dar, denn es reagiert chemisch heftig mit Luft oder Wasser, ähnlich dem Kühlmittel <a href="Natrium" title="Natrium">Natrium</a> in Spaltungs-<a href="Brutreaktor" title="Brutreaktor">Brutreaktoren</a>. Die Lithiummenge im Fusionsreaktor wäre viel größer als die Natriummenge eines Spaltungsbrutreaktors gleicher Leistung. In den realistischeren Blanketkonzepten wird deshalb

</p>

<ul><li>entweder eine keramische Lithiumverbindung (Oxid, Carbonat oder Silikat) als Brutmaterial vorgesehen, zusammen mit Beryllium zur Neutronenvermehrung und <a href="Helium" title="Helium">Helium</a> als Kühlmittel,</li>

<li>oder eine flüssige Blei-Lithium-Legierung, die als Neutronenvermehrer und Brutmaterial zugleich wirkt und chemisch viel weniger aggressiv als reines Lithium ist. Dieses Flüssigmetall könnte auch die Rolle des Kühlmittels übernehmen; allerdings führt dies im Magnetfeld des Fusionsreaktors zu Schwierigkeiten wegen der <a href="Magnetohydrodynamik" title="Magnetohydrodynamik">magnetohydrodynamischen</a> Bremsung der Strömung. Einfacher realisierbar erscheinen daher Konzepte mit unbewegtem Blei-Lithium und getrenntem Kühlkreislauf mit z. B. Wasser oder Helium.</li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Blanketmodule_für_ITER"><span id="Blanketmodule_f.C3.BCr_ITER"></span>Blanketmodule für ITER</h2></div>

<p>Die Versuchsanlage <a href="ITER" title="ITER">ITER</a> wird noch kein Leistungsreaktor sein. Nutzung der gewonnenen Energie und Erbrüten von Tritium entfallen hier, jedoch werden Versuchskonstruktionen von Leistungsreaktorblankets erprobt werden. Diese Blanketmodule für ITER bestehen strukturell aus Chrom-Nickel-Edelstahl sowie zur besseren Wärmeleitung aus Kupfer. Tiefe Schlitze in <a href="Toroidale-Poloidale_Zerlegung" title="Toroidale-Poloidale Zerlegung">poloidaler Richtung</a> vermindern <a href="Wirbelstrom" title="Wirbelstrom">Wirbelströme</a> und die damit einhergehenden mechanischen Lasten.<sup id="cite_ref-3" class="reference"><a href="#cite_note-3"><span class="cite-bracket">[</span>3<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Literatur">Literatur</h2></div>

<ul><li>A. A. Harms, K. F. Schoepf, G. H. Miley, D. R. Kingdon: <i>Principles of Fusion Energy</i>. World Scientific, Singapur 2000, ISBN 981-02-4335-9</li>

<li>W. M. Stacey: <i>Fusion</i>. 2. Auflage. Wiley, Weinheim 2010, ISBN 978-3-527-40967-9. (<a rel="nofollow" class="external text" href="https://books.google.de/books?id=moC-FPqFi8gC">eingeschränkte Vorschau</a> in der Google-Buchsuche)</li>

<li>G. McCracken, P. Stott: <i>Fusion – the Energy of the Universe.</i> 2. Auflage. Elsevier, München 2012, ISBN 978-0-12-384656-3. (Eine auch für Laien verständliche Übersicht)</li></ul>

<p>Entwurf für ein Blanket mit keramischem Brutmaterial:

</p>

<ul><li>M. Dalle Donne (Hrsg.): <i>European DEMO BOT solid breeder blanket</i>. Kernforschungszentrum Karlsruhe, 1994, <span class="-print" style="white-space:nowrap"><a href="Deutsche_Nationalbibliothek" title="Deutsche Nationalbibliothek">DNB</a> <a rel="nofollow" class="external text" href="https://d-nb.info/944269257">944269257</a></span>. (Report KfK-5429)</li>

<li>U. Fischer, H. Tsige-Tamirat: Activation characteristics of a solid breeder blanket for a fusion power demonstration reactor. <i>Journal of Nuclear Materials</i>, Bd. 307–311 (2002), S. 798–802.</li></ul>

<p>Entwürfe für Blankets mit Blei-Lithium als Brutmaterial:

</p>

<ul><li>P. Norajitra, L. Bühler, U. Fischer u. a.: The EU advanced dual coolant blanket concept. <i>Fusion Engineering and Design</i>, Bd. 61–62 (2002), S. 449–453.</li>

<li>A. Li Puma u. a.: Breeding blanket design and systems integration for a helium-cooled lithium-lead fusion power plant. <i>Fusion Engineering and Design</i> Bd. 81 (2006), S. 469–476.</li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Einzelnachweise">Einzelnachweise</h2></div>

/* start https://de.wikipedia.org/ */

.mw-parser-output .webarchiv-memento a{color:inherit}

/* end https://de.wikipedia.org/ */

</style><a rel="nofollow" class="external text" href="https://web.archive.org/web/20160304082331/http://www.pkm.kit.edu/kit_experten_radloff.php">Die drei Aufgaben des Blankets</a> (<span class="webarchiv-memento"><a href="Webarchivierung#Begrifflichkeiten" title="Webarchivierung">Memento</a></span> vom 4. März 2016 im <i><a href="Internet_Archive" title="Internet Archive">Internet Archive</a></i>)</span>

</li>

<li id="cite_note-UFi2010-2"><span class="mw-cite-backlink">↑ <sup><a href="#cite_ref-UFi2010_2-0">a</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-UFi2010_2-1">b</a></sup></span> <span class="reference-text">U. Fischer, P. Pereslavtsev, D. Grosse u. A.: Nuclear design analyses of the helium cooled lithium lead blanket for a fusion power demonstration reactor. <i>Fusion Engineering and Design</i> Bd. 85 (2010) S. 1133–1138</span>

</li>

<li id="cite_note-3"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-3">↑</a></span> <span class="reference-text">Raffaele Albanese et al.: <i>Electromagnetic Disruption Loads on ITER Blanket Modules.</i> IEEE Trans. Magn. 46, 2010, S. 2935–38, <a href="https://doi.org/10.1109/TMAG.2010.2048560" class="extiw external" title="doi:10.1109/TMAG.2010.2048560">doi:10.1109/TMAG.2010.2048560</a> (<a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.researchgate.net/profile/Raffaele_Fresa/publication/224157315_Electromagnetic_Disruption_Loads_on_ITER_Blanket_Modules/links/0c96051711e709b6da000000.pdf">online</a>).</span>

</li>

</ol></div><div><div class="zim-footer">

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