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Strahlender Mantel gegen überirdische Hitze

Das Prinzip der Strahlungskühlung

Während Plasmaphysiker und Fusionsforscher noch verzweifelt nach einem Wandmaterial fahnden, das den „überirdischen“ Temperaturen des Plasmas auf Dauer standhalten kann, experimentieren andere an einer Art „Puffer“ zwischen Plasma und Wandelementen – der Strahlungskühlung.

Bei dieser schon vor zehn Jahren von Forschern des Jülicher Kernforschungszentrums entwickelten Methode wird Neongas in den Randbereich zwischen Plasma und Wand eingeleitet. Die Atomkerne des Edelgases trennen sich auch bei den dort herrschenden extrem hohen Temperaturen nicht vollständig von ihren Elektronen. Und genau dies macht seinen Wirksamkeit als Puffer aus: Wenn die freien Elektronen des Plasmas mit hoher Geschwindigkeit auf die Außenhülle der Neonatome prallen, werden sie abgebremst und verlieren Energie – der Brennstoff kühlt ab. Gleichzeitig nehmen die Elektronen des Neongases die Energie auf und gelangen dadurch in einen energetisch höheren Zustand – sie sind „angeregt“. Dabei – und das ist der Trick – werden sie aber nicht unwiderruflich aus ihrer Bahn geschleudert. Statt dessen geben sie die Energie als Licht wieder ab und fallen anschließend wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Der Prozess kann von neuem beginnen.

Letztendlich umhüllt so ein vergleichsweise „kalter“ und strahlender Mantel das Millionen Grad heiße Plasma – und das, ohne dabei das heiße Zentrum des Plasmas unnötig abzukühlen. „Überraschenderweise ist genau das Gegenteil der Fall. Die Energie im Plasma kann mit Strahlungskühlung sogar besser eingeschlossen werden als ohne.“, erklärt Dr. Bernhard Unterberg vom Institut für Plasmaphysik in Jülich.

Mit dieser Methode, auf die inzwischen auch international große Hoffnungen gesetzt werden, läßt sich auch ein anderes Problem im Wand-Plasma-Bereich elegant lösen: Bei der Fusion entstehen als Verschmelzungsprodukte neben Neutronen auch Heliumkerne. Da diese das Magnetfeldgitter um das Plasma nicht durchdringen können, reichern sie sich im Laufe der Zeit im Plasma an und ersticken die Fusionsreaktion. Um dieses zu verhindern, sind die Brennkammern so konstruiert, dass die entstehenden Heliumkerne konzentriert auf bestimmte Wandabschnitte, die Pumplimiter, gelenkt werden. Dort können sie über Pumpen oder ähnliches abgesaugt werden. Ohne den Puffer der Strahlungskühlung könnten die auf diese Weise bombardierten Wandbereiche dem geballten Wärmefluss nicht standhalten. Sie würden überhitzen und schmelzen oder verdampfen. Das Neongas sorgt dafür, dass die Energie der Heliumkerne schon vor dem Aufprall auf die Pumplimiter aufgefangen wird.

Allerdings ist auch diese Methode, wie so viele andere in der Fusionsforschung, noch lange nicht ausgereift. Was in kleinen Versuchsanlagen wie dem Jülicher TEXTOR-94 funktioniert, ist bisher noch nicht auf andere Modelle von Fusionsreaktoren oder gar Fusionskraftwerke übertragbar. Wissenschaftler in Jülich und anderswo werden daher noch viele Experimente und Modelle hinter sich bringen müssen, ehe die Strahlungskühlung auch im großen Maßstab funktioniert.

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Stand: 26.03.2000

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