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In zukünftigen Fusionskraftwerken wird für den Einsatz des „Direct Internal Recycling“ Konzepts (DIR) die Abtrennung von Wasserstoff aus Gasmischungen bei niedrigem Druck in einem Verfahrensschritt benötigt. Nach dem derzeitigen Stand der Technik ist dies bisher nicht möglich. Der Effekt der Superpermeation ist in der Lage die Anforderungen für diesen Prozess zu erfüllen. Darauf basierend wird in der vorliegenden Arbeit eine Prozesseinheit, die Metallfolienpumpe (MFP), entwickelt. Um die Bedeutung der dargelegten Entwicklung aufzuzeigen, werden zunächst die Vorteile des DIR herausgearbeitet. Es ist derzeit keine andere Technologie bekannt, die eine solch bedeutende Verbesserung des Brennstoffkreislaufs von zukünftigen Fusionsreaktoren ermöglicht. Die charakteristische Funktionsweise der MFP wird ausgehend von den grundlegenden physikalischen Abläufen erklärt. Die beeinflussenden Materialeigenschaften werden dabei beschrieben und die relevanten Literaturdaten dargestellt. Basierend auf den erläuterten Vorgängen wird ein dimensionsloses Modell abgeleitet, das die dominierenden Prozesse in der Metallfolie, dem Kernelement der MFP, beschreibt. Aus diesem Modell werden die Limitierungen für die möglichen Folienmaterialien abgeleitet. Mit Hilfe der dargestellten Materialeigenschaften wird die dimensionslose Beschreibung in quantifizierte Aussagen für einzelne Materialien umgewandelt. Auf diese Weise wird gezeigt, dass sich die Metalle Niob und Vanadium am besten für Metallfolienpumpen in Fusionskraftwerken eignen. Die Bildung von Wasserstoffbläschen wird als wichtige Materiallimitierung aufgezeigt und begründet. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei experimentelle Einrichtungen genutzt. Dabei wird eine im Rahmen dieser Arbeiten entworfen, gebaut, in Betrieb genommen und eingesetzt. Die Superpermeation wird erfolgreich mit mehreren Metallfolienmaterialien und Energiequellen für Wasserstoff demonstriert. Diese Energiequellen sind neben der Metallfolie das zweite bedeutende Element einer MFP. Ihr Einsatz ist stark vom gewünschten Saugdruck der Pumpe abhängig. Mehrere Vorhersagen des dimensionslosen Modells werden experimentell nachgewiesen. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wird ein klarer Entwicklungspfad aufgezeigt. Dabei werden die offenen Forschungsfragen und ihr Einfluss diskutiert. |
