Fusionsforschung Präzise Strahlungsmessung unter Neutronenbeschuss

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Die Kernfusion ist ein großer Hoffnungsträger für künftige Energiesicherheit und wird weltweit in Forschungsreaktoren vorangetrieben. Fraunhofer-Forscher haben einen mikrotechnisch gefertigten Bolometer-Chip entwickelt, der hochenergetische Strahlung im Reaktor präzise erfasst – von Infrarot bis Röntgen.

Die kontrollierte Kernfusion gilt als eine der vielversprechendsten Technologien, um den steigenden Energiebedarf einer wachsenden Weltbevölkerung langfristig zu decken. Der technische Aufwand ist allerdings enorm. Eine zentrale Herausforderung in aktuellen Experimenten besteht darin, mehr Energie zu erzeugen, als für die Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas benötigt wird.

Für die präzise Analyse und Regelung der hochdynamischen Vorgänge im Inneren der Fusionsreaktoren sind besonders empfindliche und zugleich robuste Messsysteme erforderlich. Eine Schlüsselgröße ist dabei die Strahlungsleistung, die aus dem Fusionsplasma abgestrahlt wird – ein entscheidender Indikator für die Energieflüsse und die Stabilität des Plasmazustands.

Sensorik unter extremen Bedingungen

Am Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM wurde ein speziell für diese Anforderungen entwickelter Bolometer-Sensor realisiert. Das Messsystem muss unter extremen Bedingungen stabil und zuverlässig arbeiten: hohe Neutronenflüsse, intensive Röntgenstrahlung, starke thermische Belastungen, schnelle Wechsel zwischen Vakuum- und Belüftungsphasen – all das stellt hohe Anforderungen an Design und Materialwahl.

„Wir sprechen hier von einer außergewöhnlich aggressiven Umgebung. Klassische Sensorkonzepte stoßen hier schnell an ihre Grenzen“, erläutert Dr. Stefan Schmitt, Gruppenleiter für Spezialsensorik am Fraunhofer IMM. Dennoch gelang es seinem Team, einen miniaturisierten Sensorchip zu entwickeln, der auch unter den strengen Regularien der internationalen Fusionsforschung einsatzfähig ist.

Thermischer Strahlungssensor

Ein Bolometer ist ein thermischer Strahlungssensor, der elektromagnetische Energie – typischerweise aus dem Infrarot- bis Röntgenbereich – nicht direkt optoelektronisch, sondern über den Temperaturanstieg eines Absorbers detektiert. Die auftreffende Strahlung wird durch ein metallisches oder keramisches Element absorbiert und erwärmt dieses geringfügig. Diese Temperaturänderung wird durch einen temperaturabhängigen Widerstand (meist in Mäanderform) auf dem Substrat in eine elektrische Messgröße umgesetzt. Die Stärke des Widerstandsanstiegs ist proportional zur absorbierten Strahlungsleistung.

Im Unterschied zu Halbleiter-Photodetektoren benötigen Bolometer keine spektrale Anregung, sondern messen integriert über einen breiten Wellenlängenbereich. Damit eignen sie sich ideal zur Erfassung der gesamten thermischen Strahlung – ein entscheidender Vorteil bei der Diagnose von Fusionsplasmen.

Mikrosystemtechnik für präzise Strahlungsanalyse

Das Herzstück der Lösung ist ein Siliziumchip mit einer Fläche von rund 20 mm x 23 mm, auf dem vier Einzelsensoren integriert sind. Jeder dieser Bolometer verfügt über zwei Absorberflächen von jeweils 1,5 mm x 4 mm. Das entlang definierter Sichtlinien aus dem Plasma eintreffende Licht – vom Infrarot- bis in den Röntgenbereich – wird durch einen dieser Absorber detektiert. Dabei erhöht sich dessen Temperatur, was wiederum über einen Platin-Widerstandsmäander auf der Rückseite präzise als Widerstandsänderung erfasst wird.

Die Sensoren liefern damit quantitative Aussagen über die abgestrahlte Leistung entlang einzelner Sichtlinien. Durch die Kombination vieler solcher Sichtachsen innerhalb des Reaktors lässt sich ein räumliches Querschnittsprofil des Plasmas rekonstruieren – eine wesentliche Grundlage für die Optimierung der Plasmaregelung und die Bewertung der Energieeffizienz.

Robuste Materialkombination für zuverlässige Langzeitanwendung

Ein zentrales Entwicklungsziel war es, Materialien einzusetzen, die selbst unter massiver Strahlung und thermomechanischer Belastung stabil bleiben. Für die Absorber kamen deshalb relativ dicke Schichten aus Gold oder Platin zum Einsatz – etwa 20 µm, also rund ein Drittel des Durchmessers eines menschlichen Haars. Diese Metalle zeigen hohe Strahlungsresistenz und mechanische Stabilität.

Der eigentliche Sensorwiderstand ist aus Platin gefertigt, da dieses Material auch bei hoher Neutronenbelastung keine strukturellen Veränderungen zeigt. Ergänzend wurden spezielle Kohlenstoffschichten aufgebracht, die das Absorptionsverhalten für sichtbares Licht verbessern und so die Empfindlichkeit erhöhen.

Einsatz in internationalen Fusionsprojekten

Die Bolometer-Chips aus Mainz sind heute Bestandteil mehrerer weltweit führender Fusionsforschungsanlagen – darunter ASDEX Upgrade in Garching, Wendelstein 7-X in Greifswald sowie der chinesische Reaktor EAST. Für das internationale Großprojekt ITER im südfranzösischen Cadarache wurde eine speziell angepasste Variante des Sensors entwickelt.

„Unsere Bolometer zeigen, dass wir auf hochspezifische Anforderungen unserer Forschungspartner gezielt reagieren können“, sagt Projektleiter Schmitt. „Gerade in der Fusionsforschung ist es essenziell, technische Exzellenz mit einem tiefen Verständnis für die wissenschaftlichen Rahmenbedingungen zu verbinden.“ (heh)

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