GLADIS mit Jubiläumspuls und erweiterten Fähigkeiten
Doppelerfolg für den Wärmeflussteststand in Garching: Am 8. Januar feierte das GLADIS-Team den 300.000sten Puls. Und seit Anfang 2026 wird die Anlage des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) mit einer Fördersumme von 3,2 Millionen Euro für den Hochleistungsbetrieb ausgebaut.
Es floss kein Sekt an diesem Donnerstag, den 8. Januar 2026. Stattdessen herrschte im Kontrollraum von GLADIS konzentrierte Arbeitsroutine. An diesem fast normal wirkenden Arbeitstag hatte sich jedoch immerhin das gesamte Kernteam des Wärmeflussteststands versammelt, um Zeuge des 300.000sten Testpulses der Anlage zu werden. Auch Bereichsleiter Prof. Rudolf Neu war dabei, als GLADIS-Projektleiter Dr. Johann Riesch um 14:18 Uhr die Jubiläumsmessung auslöste.
„Seit dem GLADIS-Start am 12. Januar 2005 haben wir jeden Puls gezählt sei es an einer Komponente, ein Vorversuch oder auch nur technischer Betrieb “, sagt Dr. Riesch. Beim 300.000sten Puls handelte es sich um eine Vorbereitung für Untersuchungen für das US-Fusionsunternehmen Commonwealth Fusion Systems (CFS), das bei Boston gerade den Tokamak-Demonstrator SPARC baut. Dieser soll mehr Fusionsenergie erzeugen, als an Heizenergie investiert werden muss. Im Rahmen einer Kooperation mit dem Unternehmen testet das IPP die Wärmebelastbarkeit von Kacheln, die im Vakuumgefäß von SPARC verbaut werden sollen.
Vorarbeiten für den Digitalen Zwilling von SPARC
Beim Jubiläumspuls prüfte GLADIS noch kein Originalbauteil für SPARC sondern eine Testplatte mit identischer Materialmischung – einer Wolfram-Schwermetall-Legierung mit den Elementen Nickel und Eisen. Zehn Sekunden lang wurde die Platte mit einer Leistung von fünf Megawatt pro Quadratmeter bestrahlt. Dabei heizte sie sich auf 1180 Grad Celsius auf. Das Orginalbauteil wurde dann zwei Wochen später untersucht.
Bei diesen Versuchen wird mit Hilfe von optischer Spektroskopie ermittelt, wie stark die Teilchenerosion an den Wandkacheln während eines Fusionsexperiments sein könnte. Das Ziel von Commonwealth Fusion Systems ist die Erschaffung eines Digitalen Zwillings von SPARC, mit dem sich die Erosion der Kacheln bei großer Wärmebelastung voraussagen lässt. „Die Tests in GLADIS dienen der Kalibrierung des Digitalen Zwillings“, erklärt Dr. Riesch.
Solche Versuche sind die Stärke der Garching LArge DIvertor Sample test facility – kurz GLADIS. Die Anlage testet Materialien und Komponenten, die später im Inneren von Fusionsanlagen im direkten Kontakt zum heißen Plasma eingebaut sind – dort, wo Wärmeflüsse auftreten, die man anders kaum realistisch nachstellen kann. Im Unterschied zu weiter verbreiteten Elektronenstrahl-Testständen nutzt GLADIS zwei Neutralteilcheninjektoren mit einer Leistung von jeweils über einem Megawatt. Innerhalb der Injektoren werden zunächst Ionen, typischerweise Wasserstoffionen, erzeugt und dann mit hoher Spannung beschleunigt. Auf Ihren Weg zum Bauteil wird ein Großteil der Ionen neutralisiert und trifft dann als hochenergetischer Teilchenstrahl auf. Beim Auftreffen wird die Bewegungsenergie sehr homogen und mit extrem geringer Eindringtiefe (etwa 100 Nanometer) in der Oberfläche abgeben – Bedingungen, die den realen Plasmabelastungen sehr nahekommen. Damit werden pro Injektor Leistungsdichten von bis zu 40 Megawatt pro Quadratmeter erreicht. Die Wärmebelastung ist ähnlich stark wie in einem Raketentriebwerk für die Raumfahrt. Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaften wurde GLADIS von unabhängigen Gutachtern im Rahmen des „EUROfusion Facilities Review 2023“ das Prädikat „Unverzichtbar“ für die europäische Fusionsforschung verliehen.
Realistische Materialtests für den Dauerbetrieb in Kraftwerken
Nun soll GLADIS zusätzliche Möglichkeiten bekommen, mit denen sich Einsatzbedingungen, die in einen zukünftigen Fusionskraftwerk zu erwarten sind, noch besser abbilden lassen. Dafür wird die Anlage innerhalb von drei Jahren für den Hochleistungsbetrieb aufgerüstet. „Derzeit können wir mit Pulsen von maximal 45 Sekunden arbeiten. Bei hohen Wärmeflüssen sind es noch deutlich weniger“, sagt Projektleiter Riesch. „Künftig sollen mindestens 30 Minuten möglich sein.“ Den Ausbau fördert das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) mit einer Gesamtsumme von 3,2 Millionen Euro innerhalb des Projektes GLADIS HD (Heavy Duty).
GLADIS kann damit den Übergang der Fusionsforschung in die Anwendung maßgeblich unterstützen. In den derzeitigen Grundlagenexperimenten sind Wandkomponenten typischerweise für Plasmaentladungszeiten von einigen Sekunden ausgelegt. In Kraftwerken müssen sie aber dauerhaft hohen Belastungen standhalten. Diese Hochleistungskomponenten können künftig in GLADIS unter realistischen Bedingungen untersucht werden. „Wir werden dann auch Effekte messen, die mit unseren bisherigen Möglichkeiten nicht zugänglich sind wie etwa thermisches Kriechen, also die Verformung eines Materials unter andauernder Wärmelast“, erklärt Dr. Riesch. Beim angedachten Austausch der jetzigen Kohlenstoffwand im IPP-Stellarator Wendelstein 7-X kommt GLADIS damit eine Schlüsselrolle zu. Der Wärmeflussteststand wird die dann verwendeten kraftwerksrelevanten Wolframkomponenten für den Dauerbetrieb qualifizieren.
Neue Stromversorgung, verbesserte Kühlung und genauere Diagnostiksysteme
Zusätzlich wird GLADIS bei der Vorbereitung künftiger Neutralteilchen-Heizsysteme von Fusionskraftwerken eine wichtige Rolle spielen. Mit seinen inzwischen mehr als 300.000 Pulsen, ist der Teststand die weltweit am längsten betriebene Neutralteilchenquelle und kann wichtige Erkenntnisse für einen Dauerbetrieb solcher Systeme in Kraftwerken liefern. Auch hier hilft die deutliche Steigerung der Pulszeit. Dr. Rieschs Team wird dabei eng mit dem IPP-Bereich ITED (ITER-Technologie und -Diagnostik) zusammenarbeiten, der für die internationale Forschungsanlage ITER die Neutralteilchenheizungs-Technologie entwickelt.
Für den Ausbau werden alle Komponenten von GLADIS ertüchtigt. Damit können neben dem Dauerbetrieb auch viel geringere Puls-Pausen-Verhältnisse realisiert werden. Kernelemente sind dabei:
- Eine neue Hochspannungs-Stromversorgung: Ein großer Teil des Budgets wird für eine kontinuierliche Hochspannungsversorgung (70 Kilovolt) verwendet. Dies ist der umfangreichste Teil des GLADIS-Umbaus. Die Anlage wird das Volumen eines mittelgroßen Seminarraums ausfüllen.
- Eine verbesserte Kühlung: Da die aufsummierte Wärmelast durch längere Pulse steigt, müssen alle Subsysteme und das Vakuumgefäß optimiert und mit neuen Komponenten ausgestattet werden.
- Eine dauerbetriebsfähige Steuerung und Diagnostik: Bei längeren Betriebsdauern steigen die Anforderungen an Überwachung und Datenerfassung. Dafür werden Systeme installiert, die Komponenten in Echtzeit überwachen und große Datenmengen effizient verarbeiten.
Die auf drei Jahre angelegte Erweiterung soll in drei Stufen erfolgen. Nach einem Jahr sind Pulse mit 20 Megawatt Leistung pro Quadratmeter und einer Länge von einer Minute geplant. Nach drei Jahren sollen schließlich 30-Minuten-Pulse möglich sein. „Den gesamten Ausbau stemmen wir bei laufendem Betrieb. Das ist eine große Herausforderung“, erklärt Dr. Riesch. Auch während der anspruchsvollen Ausbauphase wird GLADIS also den besten Fusionsanlagen weltweit weiter für Komponententests zur Verfügung stehen.