Bolometer-Chips zur präzisen Leistungsmessung in Fusionsreaktoren

Nach den jüngsten Fortschritten bei der Kernfusionsforschung gilt die Technologie als einer der Hoffnungsträger für künftige Energiesicherheit. Weltweit werden Forschungsreaktoren aufgebaut und betrieben. Deren Leistung präzise zu erfassen, erfordert Messsysteme, die auch unter den extremen Bedingungen valide Daten liefern. Am Fraunhofer IMM wurde dazu ein Bolometerchip entwickelt, der anlässlich der Hannover Messe Anfang April vorgestellt wurde.

Kernfusion als Lösung für steigenden Energiebedarf

Die Fusionstechnologie könnte die Lösung für den steigenden Energiebedarf der wachsenden Weltbevölkerung sein. Sie gilt aber nach wie vor als technisch hoch anspruchsvoll. Als aktuelle Herausforderung gilt, in Fusionsexperimenten mehr Energie zu gewinnen als zu investieren.

Um die Fortschritte auf dem Gebiet genau zu erfassen, benötigen die Forschenden hochsensible und gleichzeitig robuste Messinstrumente. Denn die komplexen Prozesse innerhalb der Reaktoren müssen analysiert und gesteuert werden. Maßgeblich hierbei ist die Bestimmung der aus dem Fusionsplasma abgestrahlten Leistung.

So genannte Bolometer, müssen unter extremen Bedingungen stabil valide Daten liefern. „Wir sprechen hier von einer außerordentlich intensiven Umgebung. Denn wir haben es mit hochenergetischen Neutronen in sehr hohen Dichte, einer hohen Belastung durch besonders harte Röntgenstrahlen, extremen Temperaturen sowie Wechsellasten hinsichtlich Vakuum und Lüftung zu tun. Alles Aspekte, die erhebliche Vorsicht in der Materialwahl erfordern“, erläutert Stefan Schmitt (Gruppenleiter „Spezialsensorik“ am Fraunhofer IMM).

Dem Wissenschaftler und seinem Team ist es gelungen, für diese Anforderungen und selbst unter den strengen Regularien des Forschungsbereichs einen geeigneten Sensor zu entwickeln. Die Lösung der Fachleute ist ein Siliziumchip in einer Größe von etwa 20 auf 23 Millimeter, auf dem sich vier Einzelsensoren befinden. Diese verfügen über je zwei Absorberflächen von 1,5 auf 4 Millimeter.

Das längs einer engen Sichtlinie aus dem Plasma kommende Licht wird von je einem dieser Absorber eingefangen, 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 direkt die im Plasma befindliche Strahlungsleistung 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 Fraunhofer 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. Eine Herausforderung waren die hohen Energien, die in einem Fusionsreaktor herrschen. Sie bewirken, dass die meisten Materialien einfach durchgestrahlt werden.

Schmitts Team gestaltete die Absorber aus Gold oder Platin daher vergleichsweise dick. Sie messen etwa 20 Mikrometer, das entspricht in etwa einem Drittel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Der Leiter oder Widerstandsmäander besteht aus Platin, da sich das Material selbst bei hoher Strahlung nicht abändert.

Durch die Verwendung von Gold-Absorbern und speziellen Kohlenstoffbeschichtungen, welche auf dem Absorber noch besser das sichtbare Licht aufnehmen, gelang es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, für jeden Einsatz mechanisch wie elektrisch hoch stabile Bolometer zu entwickeln.

Diese finden bereits Anwendung in renommierten Fusionsforschungsanlagen weltweit, darunter ASDEX Upgrade in Garching, Wendelstein 7-X in Greifswald und EAST in China, und wurden für das weltweit größte Fusionsexperiment ITER am südfranzösischen Kernforschungszentrum Cadarache eigens modifiziert.

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