Wendelstein 7-X

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Gebäudekomplex Wendelstein 7-X IPP in Greifswald, links die Versuchshalle
Schematische Darstellung des Magnetspulensystems (blau) und des Plasmas (gelb) des Kernfusions-Experiments Wendelstein 7-X. In grün ist beispielhaft der Verlauf einer magnetischen Feldlinie auf der Plasmaoberfläche gezeigt.

Wendelstein 7-X ist ein Experiment zur Entwicklung der Kernfusion als Energiequelle. Die Anlage ist das derzeit größte Experiment vom Typ Stellarator und wird vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald gebaut. Beginn der Arbeiten war 2005 [1]; die Inbetriebnahme ist für 2014 vorgesehen, das erste heiße Plasma soll 2015 erzeugt werden. Mit dem Projekt sollen physikalische und technische Grundlagen eines Fusionskraftwerks vom Typ Stellarator im Dauerbetrieb untersucht werden.

Stellaratoren erzeugen das zum Einschließen des Plasmas nötige ringförmige (torusförmige) Magnetfeld und seine notwendige Verdrillung ausschließlich über stromdurchflossene Spulen außerhalb des Plasmas. Damit sind diese Anlagen intrinsisch für den Dauerbetrieb geeignet. Wendelstein 7 -X ist dazu mit supraleitenden Spulen ausgerüstet, in denen der Strom praktisch ohne Widerstand beliebig lange fließen und das Magnetfeld aufrecht erhalten kann.

Das dazu alternative Tokamak-Prinzip erzeugt die verdrillte Komponente des Magnetfeldes durch einen im Plasma selbst fließenden Strom. Wie dieser Strom dauerhaft, d. h. länger als einige Minuten, im Plasma betrieben werden kann, ist Gegenstand aktueller Forschung.

Um ein flexibles Experimentieren zu ermöglichen, verwendet Wendelstein 7-X im Gegensatz zu einem möglichen späteren Kernfusions-Reaktor noch kein radioaktives Tritium (überschweren Wasserstoff), so können noch keine thermonuklearen Fusionsprozesse ablaufen und dadurch auch keine Energie und nur unter bestimmten Bedingungen geringe Mengen von Fusions-Neutronen erzeugt werden (s. unten).

Ziele des Projekts

Mit der Fusionsforschung soll die Möglichkeit der Energiegewinnung aus der Verschmelzung von Wasserstoff-Atomkernen erforscht werden. Ziel ist die kommerzielle Erzeugung von elektrischer Energie: Die im Fusionsreaktor erzeugte Wärmeenergie würde dann über ein Kühlmittel in der ersten Wand und weiter über Wärmetauscher zur Stromerzeugung in einer konventionellen Turbine zu genutzt.

Wendelstein 7-X ist der größte einer neuen Generation sogenannter optimierter Stellaratoren, bei denen man die Gestaltungsmöglichkeiten eines modularen Systems von Magnetspulen ausnutzt (Bild), um das Magnetfeld, das das heiße Plasma einschließt, hinsichtlich der für einen Reaktorbetrieb notwendigen Kriterien zu optimieren:

  • Insbesondere schnelle "heiße" Plasmateilchen tendieren dazu, aus dem drei-dimensional geformten Stellarator-Magnetfeld heraus zu driften. Damit würde dem Plasma Energie verloren gehen - es kühlt aus. Im optimierten Stellarator kann dieser Effekt minimiert werden. In einem streng ringförmigen, d. h. symmetrischeren - Tokamak Magnetfeld ist das Driften bereits aus grundsätzlichen Gründen wesentlich weniger ausgeprägt.
  • Diese Optimierung muss erhalten bleiben, wenn mit steigender Temperatur und damit steigendem Druck das Plasma beginnt, das Magnetfeld zu beeinflussen, d. h. zu verbeulen. Insbesondere muss die die Druck-bedingte Verschiebung des Plasmarings nach außen minimiert werden (das Entspricht einem Fahrradschlauch, der beim Aufpumpen ohne Mantel größer wird). Gleiches gilt auch für die durch die hohen Druckgradienten (=Druckunterschiede) getriebenen Instabilitäten des Plasmas.

Wendelstein 7-X basiert dabei auf einem integrierten Optimierungs-Konzept, dem sogenannten HELIAS (HELIcally Advanced Stellarator), das auf früheren Wendelstein Experimenten aufbaut und am Max-Planck-Institut Ende der 80er Jahre entwickelt wurde: Das gewählte, sog. "isodynamisch" optimierte Magnetfeld erreicht beide genannten Kriterien gleichzeitig und erlaubt sogar nach darüber hinaus gehende Freiheitsgrade. Diese werden beim HELIAS Konzept genutzt, um auch noch interne Ströme des Plasmas zu minimieren, was zu einer weiteren Stabilisierung führt.

Das in Garching bis 2002 betriebene Vorläufer Experiment Wendelstein 7-AS hatte trotz einer noch unvollständigen Optimierung bereits gezeigt, dass die Eigenschaften des Plasmas in die gewünscht Richtung beeinflusst werden.

Im Rahmen des Wendelstein 7-X Projekts soll die Richtigkeit dieses Optimierungskonzepts überprüft und auch technische Vorbedingungen für den Dauerbetrieb eines heißen Fusionsplamas untersucht werden:

  • Es muss gezeigt werden, dass das benötigte drei-dimensionale Magnetfeld trotz der Größe der Komponenten und hohen Komplexität der Anlage mit ausreichender Genauigkeit und Symmetrie hergestellt werden kann. Zu große Abweichungen könnten zu unsymmetrischer Belastung und damit Überhitzung von Wandkomponenten führen - das Plasma würde verunreinigt und würde auskühlen. Aus demselben Grund darf es während der Anfangsphase des Plasmaufbaus nicht zu lokalen Überhitzungen der Wandkacheln kommen.
  • Alle dem Plasma zugewandten Komponenten - meist Graphitkacheln und Edelstahlstrukturen - müssen dazu gekühlt werden, gleichzeitig ist wenige cm dahinter der Betrieb der supraleitenden Magnetfeldspulen bei etwa -270oC sicherzustellen.
  • Heizung, Diagnostik und deren Überwachung müssen für den Dauerbetrieb in einem Reaktor entwickelt werden.

Den Namen Wendelstein wählte man für diese Projektlinie bereits Ende der 50er Jahre in Anspielung auf die frühen Stellarator-Experimente am Princeton-Labor für Plasmaphysik, die unter dem Namen Matterhorn liefen. Da die ersten deutschen Stellaratoren im bayerischen Garching standen, wurde der Name des Berges Wendelstein in den Bayerischen Alpen gewählt.

Physikalisch-technische Grundlagen

Deuterium-Tritium-Fusion
Hauptartikel: Kernfusionsreaktor

Wie in der Sonne und anderen Sternen wird in einem Fusionsreaktor Wasserstoff zu Helium verschmolzen. Da der im Inneren der Sonne herrschende, eine Fusion auslösende Druck auf der Erde nicht realistisch erzeugt werden kann, werden in einem Stellarator stattdessen extreme Temperaturen verwendet, die ein Mehrfaches der Sonnen-Kerntemperatur erreichen.[2] Um die Fusion im Stellarator einzuleiten, muss der Brennstoff, ein Gemisch von schwerem und überschwerem Wasserstoff, auf Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius aufgeheizt werden. Bei diesen Temperaturen liegen die Wasserstoffisotope in der Form eines Plasmas vor, in dem die negativ geladenen Elektronen der Atomhülle von den positiv geladenen Atomkernen abgetrennt sind. Um das extrem heiße Plasma von der Umgebung zu isolieren, wird es in einem Magnetfeld eingeschlossen. Dabei macht man sich den Effekt zunutze, dass bewegte elektrische Ladungen in einem elektromagnetischen Feld durch die Lorentz-Kraft abgelenkt werden.

Technische Daten

Großer Plasmaradius: 5,5 Meter
Kleiner Plasmaradius: 0,53 Meter
Magnetfeldstärke: 3 Tesla
Entladungsdauer: bis zu 30 Minuten Dauerbetrieb
Plasmaheizung: 14 Megawatt Mikrowellenheizung
Plasmavolumen: 30 Kubikmeter
Masse des genutzten Plasmas: 5–30 Milligramm
Plasmatemperatur: 60–130 Millionen Kelvin

Hauptkomponenten

Eines der 50 modularen, supraleitenden Spulenelemente vor der Montage.
Montage der Spulen in die Module.

Toroid

Der Wendelstein 7-X besteht im Wesentlichen aus einem Toroid von elf Metern Außendurchmesser, in dem das Plasma durch Magnetfelder so eingeschlossen wird, dass es nicht mit der Gefäßwand in Berührung kommt. Im Inneren des Spulenkranzes liegt das in 20 Teilen gefertigte Plasmagefäß, das in seiner Form dem verwundenen Plasmaschlauch angepasst ist. Wärmegedämmte Stutzen[3], die zwischen den Spulen und durch den Kryostaten hindurchgeführt werden, ermöglichen einen Zugang zum inneren Plasmagefäß. Durch insgesamt 299 Öffnungen kann das Plasma später beobachtet und geheizt werden.

Magnetspulen

Das Magnetfeld wird durch fünfzig den Torus umgebende, 3,5 Meter hohe nicht-planare Magnetspulen erzeugt. Weitere zwanzig planare Magnete dienen zur gezielten Veränderung des Feldes. Die Magnete werden mit flüssigem, unter Normaldruck stehendem Helium auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Beim Sieden stellt sich eine Temperatur von etwa 4 Kelvin ein. Bei dieser Temperatur sind die aus einer Legierung aus Niob und Titan bestehenden Magnetfeldspulen supraleitend. Erst ab der Sprungtemperatur von etwa 10 Kelvin weisen sie einen elektrischen Widerstand auf.

Solange die Sprungtemperatur an jeder Stelle der Magnetspule unterschritten ist, bleibt nach einmaliger Strombeaufschlagung dieser Strom und damit das Magnetfeld wegen des fehlenden elektrischen Widerstandes erhalten. Als kritisch gilt die infolge der angewandten Siedekühlung unvermeidliche Gasbildung im Kühlsystem. Heliumgas weist nur eine geringe Wärmekapazität auf, kann die Wärme also nur schlecht ableiten. Daher besteht die Gefahr, dass in den sich möglicherweise ausbildenden Dampfpolstern die Sprungtemperatur der Magnete schnell erreicht werden könnte. Dieser Zustand, bei dem Druck von über 100 bar auftreten kann, wird Quench genannt.

Darüber hinaus muss die elektrische Isolation des gesamten Magnetsystems paschenfest sein, das heißt, bei Drücken von 10−6 mbar bis 1000 mbar darf bei Anwesenheit von Helium kein Durchschlag durch die Hochspannungsisolation erfolgen. Diese Paschendichtheit wird durch die Vermeidung von Luft- bzw. Fremdeinschlüssen und Spalten innerhalb der GFK-Isolation erreicht. Zudem muss die Hochspannungsisolation auf Temperaturwechsel von 293 K auf 4 K ausgelegt sein.[4]

Kryostat

Den gesamten Spulenkranz umschließt der Kryostat, eine wärmedämmende Außenhülle von 16 Metern Durchmesser. Die darin befindlichen Elektromagnete müssen während der gesamten Bestromungsdauer auf Supraleitungstemperatur gehalten werden. Auch durch die beste thermische Dämmung findet jedoch ein Wärmefluss sowohl von außen als auch von innen in den Kryostaten statt. Ein Tankvorrat an flüssigem Helium entzieht diesem mittels Verdampfungskühlung ausreichend thermische Energie, um auch später während der Experimentdauer 5 kW Wärmeleistung abzuführen und somit die Magnete und ihre Abstützung (rund 425 Tonnen Material) auf Supraleitungstemperatur zu kühlen und kühl zu halten[5]. Die Wärmeleistung ist durch die endliche Wärmeleitfähigkeit der eingesetzten Dämmwerkstoffe begründet. Zudem muss das gesamte Kühlsystem hundertprozentig gasdicht sein, da ansonsten der gesamte Prozess zusammenbricht.[6][7]

Die abzuführende Wärmeleistung erscheint zunächst gering. Wegen der für den Prozess erforderlichen hohen Magnetfeldstärken sollen die Elektromagnetspulen aber länger als nur während der 30-minütigen Plasmaentladung supraleitend bleiben. Das sichere Abführen von 5 kW Wärmeleistung nahe dem absoluten Nullpunkt ist damit eine Aufgabe, die von einer üblichen Kältemaschine nicht geleistet werden kann. Flüssiges Helium dagegen siedet bei 4,22 K (−268,93 °C) und erfüllt diesen Zweck.

Die Verdampfungswärme von Helium beträgt nur 84,5 J/mol. 1 mol Helium weist eine Masse von etwa 4 Gramm auf, somit müssen je Sekunde 5.000 J / 84,5 J/mol = 59,2 mol Helium oder 0,236 kg gasförmiges Helium mit einem Volumen von 1,32 m³ sicher und möglichst rasch abgeführt und durch flüssiges Helium gleicher Masse ersetzt werden. Dieses hat eine Dichte von 0,167 kg/dm³, somit werden je Sekunde 1,4 Liter flüssiges Helium erforderlich.

Divertor und Energieversorgung

Weitere Hauptkomponenten umfassen den Divertor, eine Vorrichtung in Fusionsreaktoren, die das Fusionsplasma von Verunreinigungen befreit, und darüber hinaus die Systeme zum Aufheizen des Plasmas, die Versorgungseinrichtungen für elektrische Energie sowie die Kühlung.

Projektverlauf

Vorplanung

Zu den Vorbereitungen gehörte eine sehr umfangreiche Planung der Abläufe. Zunächst mussten Verfahren gefunden werden, mit denen die schweren, komplex geformten Bauteile über enge Zwischenräume hinweg präzise zusammengefügt werden konnten. Dazu gehörte auch die Entwicklung zahlreicher Spezialwerkzeuge wie des steuerbaren Spulengreifers und der Montagestände. Diese Arbeitsfolgen der Montage mussten anschließend in Einzelschritte zerlegt werden, und es entstanden insgesamt 450 einzelne Arbeitspakete.

Vormontage

Aufbau eines der fünf Ring-Module aus den Spulenelementen.
Vorbereitung und Vermessung einer der 20 planaren Spulen.

Die Anlage ist aus fünf nahezu baugleichen Modulen aufgebaut, die zunächst vormontiert und erst in der Experimentierhalle zu einem Torus zusammengesetzt werden. Anfang April 2005 wurde mit dem Zusammenbau der ersten Modulhälfte die Montage begonnen.

In den Vormontagestand 1b wurde das erste Teil des Plasmagefäßes hineingehoben. Dabei wurde die erste, sechs Tonnen schwere Magnetspule mittels eines Spezialgreifers vorsichtig durch die nur wenige Millimeter breiten Zwischenräume auf das Gefäßsegment aufgesetzt. Anschließend kann der zweite Sektor des Plasmagefäßes angeschweißt werden. Danach wird die Wärmedämmung an der Nahtstelle vervollständigt.

Mit dieser Superisolation werden die tiefkalten Magnetspulen von ihrer wärmeren Umgebung (Kryovakuum bei Flüssigstickstoff-Temperatur) getrennt. Sie besteht aus glasfaserverstärkten Kunststoff-Paneelen, in die zur besseren Wärmeleitung Kupfernetze einlaminiert wurden. In diese Paneele sind mehrere Lagen geknitterter, mit Aluminium beschichteter Kunststoff-Folie mit Zwischenlagen aus Glasseide eingelegt.

Ist die Isolation fertiggestellt, werden vier weitere Stellaratorspulen und zwei der Zusatzspulen von vorne und hinten auf das Gefäßstück aufgebaut und auf eigenen Montagestützen geometrisch präzise ausgerichtet. Anschließend wird ein Segment des Tragrings gegen die Spulen geschoben und verschraubt. Nach den abschließenden Zusatzarbeiten und zahlreichen Kontrollvermessungen ist das erste Halbmodul fertig.

Nach seiner Fertigstellung wird das 50 Tonnen schwere Bauteil in einem speziellen Lastgeschirr in den zweiten Montagestand gehoben. Zwischenzeitlich wird im Montagestand 1a das zweite Halbmodul spiegelsymmetrisch aufgebaut. Dieses wird gegenüber platziert und beide werden hydraulisch zusammengefahren. Die beiden Segmente des Tragrings werden zueinander ausgerichtet und verschraubt. Die Teile des Plasmagefäßes werden dann miteinander verschweißt. Zugleich wird die thermische Dämmung an der Nahtstelle geschlossen. Mit einer Masse von 100 Tonnen ist der Rohbau des ersten von fünf Modulen fertig.

Nun werden die Leiter für die elektrische Verschaltung der Spulen angebaut. Die steifen, bis zu 14 Meter langen Supraleiter, die vom Forschungszentrum Jülich hergestellt werden, sind bereits in Form gebogen. Pro Modul werden 24 Stück der unhandlichen und hochempfindlichen Leiter benötigt. Nach dem elektrischen Verbinden und Verschweißen der Supraleiter bekommen die Verbindungsstellen hochspannungsfeste Isolierungen, und ihre Heliumdichtigkeit wird kontrolliert. Es folgt die Verrohrung der Spulen für die Heliumkühlung. Danach wird alles auf Leckdichtigkeit geprüft. Sind danach Sensoren und Messkabel verlegt, kann das erste Modul den Montagestand verlassen. Geplant ist eine Bauzeit von insgesamt 28 Wochen.

Parallel zur Errichtung der Basismaschine wird das Mikrowellen-System zum Aufheizen des Plasmas aufgebaut, die Versorgungseinrichtungen für elektrische Energie und Kühlung, die Maschinensteuerung und nicht zuletzt die Messgeräte, die das Verhalten des Plasmas diagnostizieren und auch den stabilen Betrieb sicherstellen sollen.

Montage der Experimentierhalle

Experimenthalle mit den vorbereiteten Podesten für die fünf Module.

Das Modul wird mit einem speziellen Fahrgestell in die Experimentierhalle transportiert und dort in die Unterschale des Außengefäßes eingebaut. Anschließend werden Verbindungen und Stützen angebracht. Das Bauteil, welches nun rund 120 Tonnen wiegt, wird anschließend auf das eigentliche Maschinenfundament gehoben. Dabei wird es mit zusätzlichen Hilfsstützen gehalten. Nun wird die Oberschale des Außengefäßes aufgesetzt und verschweißt. Es folgt der Einbau von 60 Stützen, die Plasma- und Außengefäß durch den gekühlten Spulenbereich hindurch verbinden.

Im Plasmagefäß beginnt nun der Einbau des Divertors. Mit seinen wassergekühlten Prallplatten werden später die Verunreinigungen und ein Teil der Wärmeenergie aus dem Plasma abgeführt. Den Rest der Energie fängt der Wandschutz ab. Er besteht aus Stahlpaneelen bzw. einem mit Graphit-Ziegeln armiertem Hitzeschild. Insgesamt gibt es zweimal fünf Divertoren, die wie die gesamte Anlage fünffach symmetrisch angeordnet sind.

Ein Großteil der Komponenten mit Pumpen, Hitzeschild und Divertormodulen entsteht derzeit in den Zentralen Technischen Einrichtungen des IPP in Garching. Dort erfolgt auch die Abnahmeprüfung. Wenn alle fünf Module in der Experimentierhalle stehen, werden die Nahtstellen von Plasma- und Außengefäß geschlossen und die Magnete an die Strom- und Heliumversorgung angeschlossen. Wenn die Hauptstromverbindungen und Kühlverrohrungen hergestellt sind, ist die Basismaschine fertig. Während dieser Zeit finden immer wieder Kontrollvermessungen und Dichtigkeitsprüfungen statt.

Geplanter Betrieb

Wegen der fehlenden aktiven Kühlung wird während der ersten beiden Betriebsjahre die Entladungsdauer von Hochleistungsplasmen im Bereich 8–10 MW auf 5–10 Sekunden begrenzt sein. Dieser Anfangsphase folgt eine Betriebspause von 1½ Jahren, um Wendelstein 7-X auf die volle Dauerstrichfähigkeit auszubauen.[8]

Es war geplant, die Anlage mit 257 Mitarbeitern zu betreiben, derzeit (Stand 07/2008) sind 450 Spezialisten beschäftigt. Durch Fremdfirmen wurde eine Arbeitsleistung von 700.000 Stunden erbracht.

Finanzierung

Das Projekt Wendelstein 7-X wird zu etwa 80 % aus nationalen Mitteln und zu etwa 20 % von der Europäischen Union finanziert. Die nationale Finanzierung erfolgt im Verhältnis 9:1 durch den Bund und das Land Mecklenburg-Vorpommern. Die Investitionen für das Stellaratorexperiment (über die Jahre 1997–2014 summiert) betragen 370 Millionen Euro. Die Gesamtkosten für den IPP-Standort Greifswald, also die Investitionen plus Betriebskosten (Personal und Sachmittel), betragen für diesen Zeitraum von 18 Jahren 1,06 Milliarden Euro.

Im Juli 2011 gab das MPI bekannt, dass sich die USA mit 7,5 Millionen Dollar im Rahmen des Programms „Innovative Approaches to Fusion“ des amerikanischen Energieministeriums an Wendelstein 7-X beteiligen werden.

Kooperationspartner

  • Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
  • Universität Greifswald
  • Technische Universität Berlin
  • FZJ
  • KIT
  • IPF Stuttgart
  • PPPL
  • Oak Ridge National Laboratory
  • Los Alamos National Laboratory
  • University of Wisconsin-Madison
  • CEA
  • CIEMAT
  • NIFS
  • Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion, Warschau
  • INP Krakau und National Centre for Nuclear Physics
  • TEC
  • KFKI

Siehe auch

Weblinks

Einzelnachweise


54.07301388888913.423516666667Koordinaten:

54° 4′ 22,9″ N, 13° 25′ 24,7″ O

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