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Ausgabe 01/2004 |
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Ausgabe 01/2004
Wendelstein 7-X
Bizarre Formen in Stahl
Eigenwillig geformt sind die ersten großen Bauteile
für das Fusionsexperiment Wendelstein 7-X, die kürzlich im Teilinstitut
Greifswald des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik angeliefert wurden:
die erste Magnetspule sowie ein Sektor des Plasmagefäßes.
Wendelstein 7-X wird nach der Fertigstellung die weltweit größte
Fusionsanlage vom Typ Stellarator sein und soll die Kraftwerkseignung dieser
Bauart untersuchen. Ziel der Forschung ist es, ähnlich wie die Sonne aus
der Verschmelzung von Atomkernen Energie zu gewinnen. Zum Zünden der Fusion
muss in einem späteren Kraftwerk der Brennstoff, ein Wasserstoffplasma,
in Magnetfeldern eingeschlossen und auf Temperaturen über 100 Millionen
Grad aufgeheizt werden.
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Die erste Stellarator-Magnetspule ist in Greifswald angekommen.
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Magnetspulen
Im IPP angekommen ist die erste der insgesamt 50 Magnetspulen – das Kernstück
der Anlage. Ihre bizarren Formen sind das Ergebnis ausgefeilter Optimierungsrechnungen:
Sie sollen einen besonders stabilen und wärmeisolierenden magnetischen
Käfig für das Plasma erzeugen. Wegen der angestrebten langen Pulszeiten
von 30 Minuten werden – anders als bei bisherigen Anlagen – zum Bau
der Magnete supraleitende Stromleiter benutzt. Auf tiefe Temperaturen abgekühlt,
verbrauchen sie nach dem Einschalten kaum Energie. Speziell für Wendelstein
7-X entwickelte man ein flexibles supraleitendes Kabel aus Niob-Titan mit einer
Aluminiumhülle. Es kann im weichen Ausgangszustand in Formen eingelegt
und dann durch Erwärmen ausgehärtet werden. Im Betrieb wird der Leiter
mit flüssigem Helium, das im Leiterinneren fließt, auf Supraleitungstemperatur
von etwa 4 Kelvin bis nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt.
Aus 60 Kilometer Kabel entstehen im Auftrag des deutsch-italienischen Konsortiums
Babcock Noell Nuclear/Ansaldo die Spulen bei ABB in Augsburg und in Genua: Drei
der rund 3,5 Meter hohen und 2,5 Metern breiten Spulen sind fertig gestellt;
mehr als die Hälfte aller Spulen ist in Arbeit: Um die Sollform innerhalb
weniger Millimeter einzuhalten, müssen die Leiterwindungen sehr präzise
in ihre Wickelform gepresst werden. Zur elektrischen Isolation wird der Leiter
wie auch das gesamte Wickelpaket mit Bandagen aus Glasfaser umwunden und zur
Versteifung mit Epoxidharz imprägniert. Zusätzliche Verstärkung
geben massive Stahlgehäuse – in Halbschalen gefertigt von der schwedischen
Gießerei Österby Gjuteri AB – in die die Wickelpakete bei der
Babcock Noell Magnettechnik GmbH in Zeitz eingeschweißt werden. Eine Füllung
aus Quarzsand und Epoxidharz im Zwischenraum zwischen Spulenkern und Stahlhülle
sorgt für eine gleichmäßige Kraftübertragung vom Wickelpaket
auf das Gehäuse. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich später
beim Abkühlen auf Tieftemperaturen Hülle, Füllung und Wickelpaket
verschieden stark zusammenziehen. Um dies auszugleichen, wird das Gehäuse
vor dem Imprägnieren aufgeheizt. Das sich ausdehnende Gehäuse schrumpft
beim Abkühlen wieder; die Temperaturdifferenz ist so berechnet, dass die
Spule genau bei ihrer tiefen Betriebstemperatur spannungsfrei ist.
Zur Prüfung der Betriebseigenschaften werden die fertigen Spulen anschließend
nach Saclay in Frankreich zu einer Testanlage der CEA transportiert und bei
Tieftemperatur geprüft. Die erste Spule ist hier im Juni 2003 angekommen;
zwei Stellarator-Spulen haben die Tests seither erfolgreich durchlaufen.
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Eine der 20 ebenen Magnetspulen während der Fertigung.
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Ebene Spulen
Dem Kranz der 50 nicht-ebenen Stellarator-Spulen wird ein zweiter Satz von 20
ebenen Spulen überlagert, um das Magnetfeld verändern zu können
und die Flexibilität des Experiments zu erhöhen. Beim Hersteller –
Tesla in Großbritannien – sind inzwischen 16 Spulen gewickelt und
zwei komplett fertig gestellt. Auch die erste ebene Spule hat ihre Funktionsprüfung
in Saclay bereits bestanden.
Das Plasmagefäß
Die ersten zwei von insgesamt 20 Sektoren des Plasmagefäßes wurden
Ende letzten Jahres vom Hersteller – der Deggendorfer Werft und Eisenbau
GmbH – nach Greifswald geliefert. Das Plasmagefäß ist ein Teil
des so genannten Kryostaten, des wärmeisolierenden Gefäßes sowohl
für die tiefkalten Magnetspulen als auch für das heiße Fusionsplasma.
Die annähernd ringförmige Plasmakammer, die später das heiße
Plasma enthalten wird, bildet mit einem Durchmesser von rund 8 Metern die Innenwand
des Kryostaten. Sie ist umschlossen von einer Außenhülle von 16 Metern
Durchmesser. In dem luftleeren Raum zwischen Plasma- und Außengefäß
wird das tiefkalte Spulensystem untergebracht. Eine Kälteanlage stellt
später 5000 Watt Heliumkälte bereit, um die Magnete und ihre Abstützung,
d.h. insgesamt 425 Tonnen Material, auf Supraleitungstemperatur zu kühlen.
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Teil des Plasmagefäßes für Wendelstein
7-X.
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Das innerhalb der Spulen liegende Plasmagefäß
ist in seiner Form dem verwundenen Plasmaschlauch angepasst. Die komplexe Form
bei verlangter hoher Maßhaltigkeit – stellenweise sind die Toleranzen
nicht größer als drei Millimeter – macht die Herstellung zu
einer anspruchsvollen Aufgabe. Um die bizarre Form in Stahl nachzubilden, wird
das ringförmige Gefäß aus 200 einzelnen Ringen aufgebaut. Jeder
Ring wird aus mehreren fingerdicken und 15 Zentimeter breiten Stahlblechstreifen
zusammengesetzt, die vielfach geknickt die geschwungenen Konturen nachformen.
Ultrahochvakuumdicht verschweißt sind so mittlerweile sieben der 20 Sektoren
fertiggestellt.
Mit scharfem Wasserstrahl werden anschließend in die Gefäßteile
insgesamt 299 Löcher geschnitten, durch die das Plasma später beobachtet
und geheizt werden soll. Ebenso viele Stutzen, die gut wärmeisoliert zwischen
den Spulen hindurchgeführt werden, verbinden diese Öffnungen mit der
Außenwand des Kryostaten. Da sich beim Abkühlen auf Supraleitungstemperatur
alles zusammenzieht, werden die Stutzen für diesen Längenausgleich
mit beweglichen Bälgen ausgerüstet. 60 Stutzen – gefertigt von
der Schweizer Firma Romabau – sind versandfertig, zwei bereits ausgeliefert.
Mikrowellenheizung für das Plasma
Das Plasma von Wendelstein 7-X soll im Dauerbetrieb durch zehn Mikrowellensender
mit je einem Megawatt Leistung bei einer Frequenz von 140 Gigahertz geheizt
werden. Solche Senderöhren, so genannte Gyrotrons, wurden bisher nur für
Heizpulse von wenigen Sekunden und Leistungen von einigen hundert Kilowatt gebaut.
Für die nötige Entwicklungsarbeit und den Aufbau des Mikrowellen-Heizsystems
für Wendelstein 7-X ist das Forschungszentrum Karlsruhe verantwortlich,
das die Beiträge anderer Laboratorien und der Industrie koordiniert. Der
Prototyp und erste der zehn Mikrowellen-Generatoren – hergestellt von der
französischen Firma Thales Electron Devices – wurde bereits Ende 2003
erfolgreich in Greifswald in Betrieb genommen. Mit einer Ausgangsleistung von
einem Megawatt ist er der stärkste für mehrere Minuten laufende Mikrowellensender
der Welt.
Er wird nun dazu benutzt, das zugehörige Übertragungssystem zu testen.
Dessen Entwicklung hat das Institut für Plasmaforschung der Universität
Stuttgart übernommen. Die Mikrowellen werden über wassergekühlte
Metallspiegel vom Sender in das Plasma gelenkt. Die anspruchsvollen Bauteile
müssen die Mikrowellen aus ihren zehn Einzelstrahlen zusammenfügen,
sie trotz der hohen Leistung von zehn Megawatt zerstörungsfrei und mit
möglichst geringen Übertragungsverlusten, außerdem im richtigen
Polarisationszustand und exakt gebündelt an der jeweils gewünschten
Stelle in das Plasma schicken. Von den insgesamt vorgesehenen 140 Spiegeln sind
100 installiert. Bis auf die Teile im Plasmagefäß, die erst nach
dem Experimentaufbau montiert werden können, ist das Übertragungssystem
damit fertig aufgebaut. In den jetzt laufenden Hochleistungstests werden alle
Komponenten in ihrem Zusammenwirken geprüft – neben dem Übertragungssystem
also auch Kühlung, Hochspannungsversorgung, Messtechnik und Datenerfassung.
Parallel wird schon das zweite, von der US-Firma Communication and Power Industries
entwickelte Gyrotron aufgebaut. Erste Tests sind für April 2004 vorgesehen.
Montagevorbereitung
Zurzeit laufen in Greifswald Tests und Vorbereitungsarbeiten für die Montage.
Forschung und Ausbildung an kleineren Apparaturen ergänzen die Arbeiten
für Wendelstein 7-X. Der für 2010 geplante Betriebsbeginn hängt
wesentlich von der termingerechten Fertigstellung der Bauteile durch die zuliefernde
Industrie ab. „Bei komplexen Anlagen wie Wendelstein 7-X ist bereits die
industrielle Fertigung und der Aufbau ein Experiment für sich, bei dem
in zahlreichen Sparten Neuland betreten wird“, erläutert Dr. Manfred
Wanner, der als Leiter der Abteilung „Basismaschine“ die Fertigung
der Bauteile überwacht: „Die mit Wendelstein 7-X gewonnenen Erfahrungen
werden aber auch für den internationalen Testreaktor ITER von großem
Nutzen sein“.
imi
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