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Diamanten als Fenster zum Plasma

Im Versuchsreaktor Wendelstein 7-X in Greifswald werden zur Aufheizung des Plasmas Hochleistungs-Mikrowellenröhren getestet, die eine Heizleistung von einer Million Watt über eine Dauer von 30 Minuten liefern. Insgesamt 8 solcher Gyrotrons wurden in einem gemeinschaftlichen Projekt der Thales Electron Device (TED), Element Six, Diamond Materials und der REUTER TECHNOLOGIE entwickelt und gebaut.



Gyrotrons dieser Leistung stoßen technologisch in eine neue Dimension vor. Derart hohe Heizleistungen waren bislang nur für wenige Sekunden möglich. Der Diamant bildet dabei das Fenster zwischen der Mikrowellenröhre des Gyrotrons und dem Fusionsreaktor. Die hochreinen Diamantscheiben eignen sich perfekt für den Einsatz in diesem kritischen Bauteil wegen ihres ausgezeichneten Transmissionsvermögens, der hohen Wärmeleitfähigkeit und der mechanischen Beständigkeit. Die REUTER TECHNOLOGIE hat in enger Zusammenarbeit mit dem Karlsruher Institut für Technologie die 1,8 Millimeter starken und etwa 120 Millimeter großen Fenster aus Diamant vakuumdicht in einen Kupferring verlötet. Im Kupfer kann Kühlmedium zirkulieren, so dass der Metallmantel der Kühlung und Wärmeabfuhr dient. In einem zweiten Lötschritt wird die Kupfer/Diamant-Baugruppe schließlich in ein Gehäuse aus Edelstahl eingefasst.

Verzugsfreie Kupfer/Diamant-Verbindung
Weil Diamant und Kupfer sehr stark unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, liegt die spezielle Herausforderung dieser Entwicklungsarbeit in der verzugsfreien und hochvakuumdichten Fügetechnik. Zudem darf kein Lot austreten, so dass diese Aufgabe hohe Kompetenz in der Werkstoffkunde und im Vakuumlöten erfordert. In der Entwicklung erwiesen sich die Wahl geeigneter Materialien (Grundwerkstoffe, Lot), die Auslegung der Lotdepots sowie die akribische Verfeinerung der Lötgeometrie als maßgebliche Stellschrauben, die Vorgaben zu erreichen.

Eine ausführliche Dokumentation aller Entwicklungsleistungen der beteiligten Unternehmen am Fusionsreaktor Wendelstein 7-X hat das Max Planck-Institut unter dem Titel „Wendelstein 7-X und die Fusion – An der Grenze des technisch Machbaren“ veröffentlicht. Interessierte finden in diesem lesenswerten Dokument umfangreiche Informationen zum Thema Kernfusion.

www.ipp.mpg.de/47661/w7x_s.pdf