Nuclear Fusion er en kilde til stort håb for fremtidig energisikkerhed, hvor dette felt udforskes i forskningsreaktorer over hele verden. Detektering af deres ydeevne kræver målingssystemer, der leverer gyldige data, selv under ekstreme forhold. Og midtpunktet i disse systemer er bolometers fra Fraunhofer Institute for Microengineering og Microsystems Imm. Eksperter fra instituttet præsenterer deres sofistikerede sensorer på Joint Fraunhofer Booth (Hall 2, Booth B24) på dette års Hannover Messe -messe fra 31. marts til 4. april.
Fusionsteknologi kan være løsningen på de stigende energibehov hos den voksende globale befolkning, men det er en meget krævende teknologi. Den aktuelle udfordring er at udføre fusionseksperimenter, der producerer mere energi end de forbruger. For nøjagtigt at fange fremskridt på dette område har specialister brug for usædvanligt følsomme måleinstrumenter til at analysere og kontrollere de komplekse processer, der finder sted inde i reaktorerne. Bestemmelse af, hvor meget strøm der udsendes fra fusionsplasmaet, der er afgørende for dette.
Præcision under ekstreme forhold
Detektorerne, der bruges til at opnå dette, kendt som bolometers, skal pålideligt levere gyldige data under ekstreme forhold. “Vi taler om et ekstremt intenst miljø: Vi har højenergneergneutroner ved meget høj densitet, høje niveauer af ekstra hard røntgenstråler, ekstreme temperaturer, skiftende belastninger med hensyn til vakuum og ventilation-alle aspekter, der kræver betydelig omhu i valg af materialer,” forklarer Stefan Schmitt, chef for speciel sensorteknologi på Fraunhofer Imm. Schmitt og hans team har lykkedes at udvikle en passende sensor til disse krav, selv under de strenge regler, der gælder for dette forskningssegment.
Deres opløsning er en siliciumchip ca. 20 x 23 millimeter i størrelse, der indeholder fire individuelle sensorer. Hver sensor har to absorberområder, der måler 1,5 x 4 millimeter. Det lys, der udsendes af plasmaet langs en smal synslinie, fanges i hvert tilfælde af en af disse absorbere, hvilket hæver absorberens temperatur. Temperaturstigningen måles ved svinger modstande lavet af platin på siden vendt væk fra absorberen, når resistensen øges med en tilsvarende foranstaltning. På denne måde fanger sensoren direkte den strålingseffekt, der er til stede i plasmaet, fra infrarød til den hårde røntgenstråle af spektret.
Eksperterne kan bruge måledataene fra de mange forskellige synslinjer, der er justeret komplementært inden for reaktionsbeholderen til at knytte denne effekt til fysiske punkter i plasmaet og derved beregne en tværsnitsprofil af fusionsplasmaet. For at opnå dette indarbejdes siliciumchips, der er produceret ved Fraunhofer IMM, i kameraer bestående af et hoved, hvor chippen er placeret og et åbningssystem. Kameraerne gør det muligt at bruge de forskellige målesignaler til at vurdere, hvor godt plasmaleguleringen inde i reaktoren går, mens de også bestemmer den samlede energibalance.
Løsninger til specifik diagnostik
En udfordring var de høje energiniveauer, der var til stede i en fusionsreaktor. Dette betyder, at strålingen simpelthen passerer gennem de fleste materialer. For at komme rundt i dette emne designede Schmitt’s team guld- eller platinabsorbenterne til at være relativt tyk på 20 mikrometer, cirka en tredjedel af diameteren af en enkelt streng af menneskehår.
Dirigenten eller bugten modstand er lavet af platin, et materiale, der ikke gennemgår ændringer, selv når de udsættes for høje strålingsniveauer. Ved at bruge guldabsorbenter og specielle kulstofbelægninger, der absorberer synligt lys endnu mere effektivt på absorberoverfladen, var forskerne i stand til at udvikle bolometre, der er meget stabile både mekanisk og elektrisk til enhver brug.
Et integreret element i aktiv fusionsforskning
Disse bolometre er allerede i brug på fremtrædende fusionsforskningsfaciliteter over hele verden, herunder ASDEX-opgradering i Garching, Wendelstein 7-X i Greifswald og øst i Kina. De er også blevet specielt modificeret til ITER, verdens største fusionseksperiment på Cadarache Nuclear Research Center i det sydlige Frankrig.
Schmitt, projektlederen, er stolt af holdets resultater: “Vores bolometre er et bevis på, at vi kan reagere fremragende på de ekstremt specifikke behov og krav fra vores partnere. Især i tilfælde af fusionsforskning er det meget gavnligt, at vi taler videnskabens sprog.”
Fraunhofer Imm præsenterer sin innovative måleteknologi ved Joint Fraunhofer Booth (Hall 2, Booth B24) på Hannover Messe 2025 ved hjælp af sensorchippen for at illustrere, at selv meget specifikke forespørgsler er i fremragende hænder med dette hold.