Materialien
Die Kernmaterialien des Fusionsbrennstoffkreislaufs
Jedes Fusionskraftwerk erzeugt seinen Brennstoff im Inneren des Plasmas selbst — die weltweiten Reserven reichen nicht aus, um ihn extern zu beschaffen. Geordnet nach Massezahl, aufsteigend.
MetrischImperial (°F, oz/ft³)
1
Ordnungszahl · Z
1
Massenzahl · A
H
¹H
Isotop-Notation
Protium
Häufigstes Wasserstoff-Isotop, Referenzgrösse im Fuel Cycle
Dichte
0,09 kg/m³ (Gas bei Raumtemperatur, H₂)
Schmelzpunkt
−259,1 °C
Siedepunkt
−252,9 °C
Entflammbarkeit
Hochentzündlich, bildet mit Luft/O₂ explosive Gemische.
Toxizität
Ungiftig, aber Erstickungsgefahr bei hoher Konzentration in geschlossenen Räumen.
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Herausforderung in der Kernfusion
- Kein eigener Fusionsbrennstoff — muss dennoch sauber von D/T-Strömen abgetrennt werden
- Ständiger Bestandteil von Verunreinigungs- und Abgasströmen im Fuel Cycle
- Isotopenbuchhaltung/-analytik erfordert hochpräzise Messtechnik
Cluster 3 · Fusion Fuel Data Series
1
Ordnungszahl · Z
2
Massenzahl · A
D
²H
Isotop-Notation
Deuterium
Der zweite Fusionsbrennstoff
Dichte
0,18 kg/m³ (Gas bei Raumtemperatur, D₂)
Schmelzpunkt
−254,4 °C
Siedepunkt
−249,7 °C
Entflammbarkeit
Hochentzündlich wie Wasserstoff, bildet explosive Gemische mit Luft/O₂.
Toxizität
Chemisch ungiftig wie Protium; Erstickungsgefahr bei hoher Konzentration.
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Herausforderung in der Kernfusion
- Gewinnung aus Meerwasser ist energieintensiv (Schwerwasser-Elektrolyse/-Destillation)
- Rohstoff selbst praktisch unbegrenzt verfügbar — kein Lieferengpass zu erwarten
Cluster 3 · Fusion Fuel Data Series
1
Ordnungszahl · Z
Radioaktiv
3
Massenzahl · A
T
³H
Isotop-Notation
Tritium
Der eigentliche Fusionsbrennstoff
Halbwertszeit
12,32 Jahre → Zerfall zu Helium-3 (β⁻, 18,6 keV)
Dichte (flüssig, ~25 K)
≈ 0,257 g/cm³ · Gas bei Raumtemperatur (T₂)
Schmelzpunkt
−254,54 °C (20,62 K)
Siedepunkt
−248,11 °C (25,04 K)
Entflammbarkeit
Hochentzündlich, bildet mit Luft/O₂ explosive Gemische (wie H₂).
Toxizität
Chemisch ungiftig · radiologisch: Gefahr bei Inhalation/Ingestion.
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Herausforderung in der Kernfusion
- Kommt in nutzbaren Mengen nicht natürlich vor – muss im Reaktor selbst über Li-Brutmäntel erzeugt werden (Breeding Ratio > 1 nötig)
- Kurze Halbwertszeit (12,3 J.) verhindert Vorratsbildung – kontinuierliche Nachproduktion erforderlich
- Extreme Permeationsfähigkeit durch Metalle – Leckagen sind kaum vollständig vermeidbar
- Sehr limitierter Weltbestand (~20–25 kg) und hoher Preis (~USD 35'000/g)
Cluster 3 · Fusion Fuel Data Series
2
Ordnungszahl · Z
3
Massenzahl · A
He
³He
Isotop-Notation
Helium-3
Seltenes Isotop, Kandidat für aneutronische Fusion
Dichte
0,135 kg/m³ (Gas bei Raumtemperatur)
Schmelzpunkt
nur unter Druck fest (kein Schmelzpunkt bei Normaldruck)
Siedepunkt
−269,9 °C
Entflammbarkeit
Nicht brennbar (Edelgas).
Toxizität
Chemisch inert und ungiftig; Erstickungsgefahr bei hoher Konzentration.
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Herausforderung in der Kernfusion
- Keine wirtschaftliche Förderquelle auf der Erde — extrem seltenes Isotop
- Potenzieller Mondabbau (Regolith) wird diskutiert, ist aber technisch und wirtschaftlich unerprobt
- Nötig für aneutronische D-³He-Fusion, die noch im Forschungsstadium ist
Cluster 3 · Fusion Fuel Data Series
3
Ordnungszahl · Z
6
Massenzahl · A
Li
⁶Li
Isotop-Notation
Lithium-6
Der Ausgangsstoff für das Tritium-Breeding
Dichte
0,534 g/cm³
Schmelzpunkt
180,5 °C
Siedepunkt
1342 °C
Entflammbarkeit
Hochentzündlich, reagiert heftig mit Wasser.
Toxizität
Ätzend im Kontakt mit Feuchtigkeit/Haut; Schutzausrüstung bei Handhabung nötig.
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Herausforderung in der Kernfusion
- Nur ~7,6% des natürlichen Lithiums — aufwändige Isotopentrennung nötig
- Traditionelle Trennverfahren (Quecksilber-Amalgam) ökologisch bedenklich, neue Verfahren u.a. am PSI in Entwicklung
- Limitierender Faktor für viele Tritium-Breeding-Blanket-Konzepte
Cluster 3 · Fusion Fuel Data Series
3
Ordnungszahl · Z
7
Massenzahl · A
Li
⁷Li
Isotop-Notation
Lithium-7
Trägermedium für FLiBe-Kühlkreisläufe
Dichte
0,534 g/cm³
Schmelzpunkt
180,5 °C
Siedepunkt
1342 °C
Entflammbarkeit
Hochentzündlich, reagiert heftig mit Wasser.
Toxizität
Ätzend im Kontakt mit Feuchtigkeit/Haut; Schutzausrüstung bei Handhabung nötig.
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Herausforderung in der Kernfusion
- Trägt kaum zum Tritium-Breeding bei, aber zentral als FLiBe-Kühlmittel
- Grosstechnisch verfügbar (~92% des natürlichen Lithiums), Aufbereitung zu FLiBe anspruchsvoll
Cluster 3 · Fusion Fuel Data Series
4
Ordnungszahl · Z
9
Massenzahl · A
Be
⁹Be
Isotop-Notation
Beryllium
Neutronenvervielfacher im Blanket
Dichte
1,85 g/cm³
Schmelzpunkt
1287 °C
Siedepunkt
2469 °C
Entflammbarkeit
Pulver/Staub brennbar, Massivmaterial nicht.
Toxizität
Hochtoxisch, krebserregend (Berylliose-Risiko bei Staub-/Dampfinhalation).
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Herausforderung in der Kernfusion
- Hochtoxisch – strenge Handhabungs- und Arbeitsschutzvorschriften (Berylliose-Risiko)
- Anspruchsvolle Verarbeitung, nur wenige spezialisierte Zulieferer weltweit
- Zentral als Neutronenvervielfacher in vielen Blanket-Konzepten
Cluster 3 · Fusion Fuel Data Series
74
Ordnungszahl · Z
184
Massenzahl · A
W
¹⁸⁴W
Isotop-Notation
Wolfram
Hüllenmaterial des Blankets
Dichte
19,25 g/cm³
Schmelzpunkt
3422 °C (höchster aller Metalle)
Siedepunkt
5555 °C
Entflammbarkeit
Nicht brennbar als Massivmetall; Feinstaub brennbar.
Toxizität
Gering toxisch als Massivmetall; Feinstaub kann gesundheitsschädlich sein.
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Herausforderung in der Kernfusion
- Höchster Schmelzpunkt aller Metalle – anspruchsvolle Verarbeitung und Formgebung
- Direkter Plasmakontakt an der First Wall erfordert höchste Reinheit und Präzision
- Meist mit Vanadium legiert für verbesserte mechanische Eigenschaften
Cluster 3 · Fusion Fuel Data Series