Wendelstein 7-X

Gebäudekomplex Wendelstein 7-X IPP in Greifswald, links die Versuchshalle

Wendelstein 7-X ist ein experimenteller Kernfusionsreaktor in Stellarator-Bauweise, der seit dem Jahr 2005^[1] im Teilinstitut Greifswald des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) aufgebaut wird. Der Reaktor ist der Nachfolger des von 1988 bis 2002 betriebenen Experiments Wendelstein 7-AS. Die Fertigstellung ist für das Jahr 2014 geplant. Der Reaktor wird dann der weltweit größte Fusionsreaktor auf Stellarator-Basis sein. In dem Experiment werden wesentliche Komponenten und Techniken für den großtechnischen Einsatz der Kernfusion zur kommerziellen Stromerzeugung untersucht.

Zielsetzung

Mit der Fusionsforschung soll die Möglichkeit der Energiegewinnung aus der Verschmelzung von Wasserstoff-Atomkernen erforscht werden. Das Ziel ist die kommerzielle Nutzung der Kernfusion zum Zwecke der Stromerzeugung.

Der magnetische Plasmaeinschluss wird bereits seit den 1950er-Jahren erprobt, wobei über Jahre hinweg ausschließlich das Tokamak-Prinzip verfolgt wurde. Hier wird ein im Unterschied zum Stellarator geometrisch einfacher Torus verwendet, während für den Einschluss des Plasmas an anderer Stelle ein höherer Aufwand notwendig ist.
Lange Zeit sah man sich nicht in der Lage, die für einen Stellarator notwendigen, verdrillten Magnetspulen herzustellen. Mit der heute möglichen Genauigkeit in Konstruktion und Fertigung können diese nun ausreichend präzise gefertigt werden. Wendelstein 7-X hat die Aufgabe, die Eignung dieses Bautyps für kommerzielle Kraftwerke zu untersuchen. Mit bis zu 30 Minuten langen Entladungen soll dabei der wesentliche Vorteil eines Stellarators demonstriert werden, die Fähigkeit zum Dauerstrich-Betrieb.

Den Namen Wendelstein wählte man 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 rotierende 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. Wärmeisolierte 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 wegen des fehlenden elektrischen Widerstandes dieser Strom und damit das Magnetfeld 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. Diesen Zustand, bei dem Druck von über 100 bar auftreten kann, wird Quench genannt.

Des Weiteren muss die elektrische Isolation des gesamten Magnetsystems paschenfest sein, d.h. 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. Darüber hinaus muss die Hochspannungsisolation auf Temperaturwechsel von 293 K auf 4 K ausgelegt sein.^[4]

Kryostat

Den gesamten Spulenkranz umschließt der Kryostat, eine wärmeisolierende Außenhülle von 16 Metern Durchmesser. Die darin befindlichen Elektromagnete müssen während der gesamten Bestromungsdauer auf Supraleitungstemperatur gehalten werden. Auch durch die beste thermische Isolation 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 Isolierwerkstoffe 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 elektrische Energieversorgung

Weitere Hauptkomponenten umfassen den Divertor, eine Vorrichtung in Fusionsreaktoren, die das Fusionsplasma von Verunreinigungen befreit, des Weiteren 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 Wärmeisolation 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 Isolation 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 Helium-Kühlung. 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 2×5 Divertoren, welche wie die gesamte Anlage fünffach symmetrisch angeordnet sind.

Ein Großteil der Komponenten mit Pumpen, Hitzeschild und Divertormodulen entsteht zurzeit 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 werden 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.^[9]

Finanzierung

Der Investitionsbedarf stieg gegenüber der Planung um 56 %. Finanziert wird Wendelstein 7-X durch die Europäische Union (33 %) zusammen mit dem Bund (60 %) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern (7 %), das Budget beträgt rund 423 Millionen Euro.^[9]

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

Siehe auch

• Kernfusionsreaktor
• Stellarator
• Tokamak
• JET
• ITER
• Large Helical Device

Einzelnachweise

1. ↑ IPP: Die Montage von Wendelstein 7-X hat begonnen, 18. April 2005
2. ↑ http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,797594,00.html
3. ↑ Produkte - Ultrahochvakuum - Fusionsreaktor Max Planck. In: www.kompaflex.ch. kompaflex AG, abgerufen am 1. Oktober 2011 (W7-X Stutzen). 
4. ↑ GFK-Formteile der elektrischen Isolation der Jointgehäuse
5. ↑ Vorstellung der Kryoanlage durch die Firma Linde
6. ↑ Dichtigkeitstests an supraleitenden Magnetspulen
7. ↑ B. Renard, G. Dispau u.a.: Ten years of cryomagnetic W7-X test facility construction and operation. In: Cryogenics. 51, 2011, S. 384–388, doi:10.1016/j.cryogenics.2011.03.005.
8. ↑ MPI/IPP: Wendelstein 7-X Newsletter No.1 / April 2008. (PDF)
9. ↑ ^{a b} DDP-Meldung vom 18. Juli 2008, 13:55 Uhr; Online verfügbar (Abgerufen am 18. Juli 2008.)

Weblinks

• Max-Planck-Institut für Plasmaphysik: Wendelstein 7-X
• Status des Wendelstein 7-X
• idw-ticker: Alle Hauptkomponenten für Wendelstein 7-X fertig gestellt (mit Bildern)
• idw-ticker: Kühle Unterwelt für Wendelstein 7-X fertig gestellt
• DW World, Bericht
• idw-ticker: USA beteiligen sich an Fusionsprojekt Wendelstein 7-X
• Amerika heizt mit im Sonnenofen

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Koordinaten: 54° 4′ 22,9″ N, 13° 25′ 24,7″ O