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Neutronenmonitore für Wendelstein 7-X

Fusionsexperiment mit PTB-Messtechnik „an Bord“

PTB-News 1.2016
12.01.2016
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Energieerzeugung

Das Fusionsexperiment Wendelstein 7-X, das kürzlich am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald in Betrieb gegangen ist, soll die Eignung von Fusionsanlagen des Typs Stellarator zur Energieerzeugung demonstrieren. Ende 2015 wurde darin zum ersten Mal ein Heliumplasma erzeugt. Die Erzeugung von Plasmen mit Deuterium, bei denen durch Kernreaktionen Neutronen erzeugt werden, ist zu einem späteren Zeitpunkt geplant. Die PTB hat im Rahmen eines Kooperationsvertrages mit dem IPP ein Monitorsystem entwickelt, das die gesamte Neutronenstrahlung misst, die beim Betrieb der Maschine entsteht.

Neutronenmonitor (links) bei der Kalibrierung mit monoenergetischen Neutronen in den Referenzstrahlungsfeldern der PTB

Die Neutronenmonitore dienen der Überwachung der Neutronenstrahlung beim Betrieb von Wendelstein 7-X  (W7-X), insbesondere um nachzuweisen, dass die nach der Betriebsgenehmigung erlaubte Jahresgrenze der Neutronenproduktion nicht überschritten wird. Außerdem wird die Messung der zeitaufgelösten Neutronenflussdichte wichtige Erkenntnisse über physikalische Vorgänge im Fusionsplasma liefern: Die entsprechende Kalibrierung der Neutronenmonitore vorausgesetzt, erlauben sie die Messung der Fusionsrate und der dabei erzeugten Energie. Auch lassen sie Rückschlüsse auf die Ionentemperatur im Plasma zu.

Wesentliche Kriterien beim Design der drei an der Anlage installierten Monitore waren eine möglichst geringe Energieabhängigkeit des Ansprechvermögens und eine an die Haupteinfallsrichtung der Neutronen angepasste Richtungsabhängigkeit. Dadurch wird der Einfluss gestreuter Neutronen gering gehalten. Zusätzlich war gefordert, dass die Monitore die Neutronenproduktionsrate über einen dynamischen Bereich von mindestens fünf Größenordnungen überwachen. Diese Anforderungen wurden durch einen Aufbau realisiert, der dem Prinzip des „Precision Long Counter“ aus dem Jahr 1966 entspricht: Er besteht aus einem Moderator aus Polyethylen, in dem mehrere Detektoren für den Nach-weis thermischer Neutronen mit unterschiedlichem Ansprechvermögen eingebaut sind. Das konkrete Design wurde mit Neutronentransportberechnungen optimiert.

Die drei Monitore wurden in den Referenzstrahlungsfeldern der PTB kalibriert. Zusätzlich wurde mit dem hochintensiven Neutronenstrahl der PTB das Verhalten der verschiedenen Detektoren in den Monitoren bei sehr hohen Zählraten untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die verwendeten Proportionalzählrohre vom Typ 3He und BF3 jeweils bis zu Zählraten von 2 · 105 s–1 benutzt werden können, die Ionisationskammern mit Kathoden aus 235U bis zu Zählraten von 1 · 106 s–1. Mit ihnen ist die Messung der Neutronenproduktionsrate von W7-X in einem Bereich von 1011 bis 1016 Neutronen pro Sekunde bei einer Zeitauflösung von 5 ms mit einer relativen statistischen Genauigkeit von besser als 15 % möglich.

Vor der Inbetriebnahme von W7-X wurden die Neutronenmonitore entsprechend der beantragten Betriebsgenehmigung vor Ort kalibriert. Dafür kam eine  241AmBe-Radionuklid-Neutrone zum Einsatz, deren Quellstärke vorher in der PTB rückführbar auf Primärnormale bestimmt wurde. Die Quelle wurde mithilfe eines im Inneren des Plasmagefäßes installierten Schienensystems auf einem Pfad bewegt, der dem Verlauf des mittleren Plasmaschwerpunkts entspricht. Aus den zeitabhängigen Zählraten aller Detektoren, ergibt sich der Kalibrierfaktor, der für die jeweils empfindlichsten Proportionalzählrohre mit einer relativen statistischen Messunsicherheit von besser als 1 % bestimmt werden konnte. Für die Bestimmung der Gesamtmessunsicherheit der Kalibrierfaktoren im Plasmabetrieb müssen zusätzlich noch systematische Effekte wie das komplexe Plasmavolumen und die gegenüber der benutzten Kalibrierquelle abweichende Neutronenenergieverteilung aus dem Plasma berücksichtigt werden. Zum genauen Verständnis dieser Abhängigkeiten sind weitere Untersuchungen mithilfe umfangreicher Berechnungen des Neutronentransports geplant.

Ansprechpartner

Andreas Zimbal
Fachbereich 6.4 Ionen- und Neutronenstrahlung
Telefon: (0531) 592-6530
E-Mail: Opens window for sending emailandreas.zimbal(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

B. Wiegel, W. Schneider, F. Grünauer, R. Burhenn, H. Schuhmacher, A. Zimbal: Opens external link in new windowMonitoring of the neutron production at the Wendelstein 7-X stellarator. Radiat. Prot. Dosim. 161, 326–330 (2014)