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Institut für Energie- und Klimaforschung

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ITER

In internationaler Zusammenarbeit entsteht bis 2020 in Cadarache im Süden von Frankreich das große Fusionsexperiment ITER (lat.: Der Weg). ITER verfolgt das Ziel, die physikalische und technologische Machbarkeit der Fusionsenergie im Kraftwerksmaßstab nachzuweisen und damit den Weg für eine kommerzielle Nutzung der Fusion zu ebnen. An ITER soll durch die Fusion von schwerem Wasserstoff (Deuterium) und überschwerem Wasserstoff (Tritium) zum ersten Mal eine Fusionsleistung von bis zu 500 Millionen Watt erzeugt werden.

Um dies zu erreichen, muss das Gemisch aus Deuterium und Tritium auf mehr als 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Dies geschieht an ITER durch Neutralteilchenstrahlen, Radiowellen und Mikrowellen, die insgesamt eine Heizleistung von typisch 50 Millionen Watt in das Plasma einbringen werden.

ITER ist eine torusförmige magnetische Einschlussanlage nach dem „Tokamak“-Prinzip. Hierbei wird das heiße Plasma von einem Magnetfeld eingeschlossen, welches durch supraleitende Spulen sowie durch einen im Plasma fließenden Strom erzeugt wird. Die große Herausforderung besteht darin, das mehr als 100 Millionen Grad heiße Plasma und die aus dem Plasma entweichenden Wärme- und Teilchenflüsse so stabil zu kontrollieren, dass die Wände der Brennkammer die Wechselwirkung mit dem Plasma langfristig überstehen.

Die wesentlichen Betriebsdaten von ITER sind hier zusammengefasst:

Plasmavolumen700 m3
Magnetfeldstärke5.3 Tesla
Plasmastrom15 Mega-Ampere
Fusionsleistung500 MW
Externe Heizleistung50 MW
LeistungsverstärkungQ = 10
Betriebsbeginnca. 2020

Querschnittzeichnung ITER mit Port Plug

ITER ist der weltweit erste Fusionsreaktor – er wird eine positive Leistungsbilanz erzielen. Die Plasmapulse werden jedoch nur eine Dauer von einigen Minuten (volle Fusionsleistung) bis zu einer Stunde (bei reduzierter Leistung) erreichen. Auch ist die erwartete Leistungsverstärkung von maximal Q = 10 noch zu gering, so dass die erzeugte Fusionsleistung nicht zur Netto-Stromerzeugung genutzt werden kann. Stattdessen konzentriert man sich bei ITER darauf, auf dem Weg zur kommerziellen Nutzung der Fusion für alle verbleibenden physikalischen und technischen Fragestellungen Lösungen zu entwickeln und praktisch zu demonstrieren. Die Netto-Stromerzeugung ist dann für eine nachfolgende Anlage, den Demonstrationsreaktor DEMO, vorgesehen. Dieser wird im Vergleich zu ITER etwas größer sein, eine höhere Fusionsleistung und Leistungsverstärkung aufweisen, wesentlich längere Plasmapulse erzeugen und kann somit elektrische Energie im Maßstab von einigen hundert Millionen Watt in das Netz einspeisen.

Bei Design und Aufbau von ITER fließt das gesamte weltweit vorhandene Wissen in der Fusionsforschung ein. Mit Europa, den USA, Japan, Russland, China, Indien und Süd-Korea sind nahezu alle großen Industrieregionen der Welt am Aufbau beteiligt. Auch Jülich trägt mit vielfältigen Forschungsarbeiten und Projektbeiträgen zur Entwicklung von ITER bei. Wesentliche Vorarbeiten für ITER wurden zum Beispiel durch die Jülicher Studien zur Plasma-Wand-Wechselwirkung geleistet.

Ein konkreter Jülicher Projektbeitrag beim Aufbau von ITER besteht in der Entwicklung einer umfangreichen Messapparatur, welche an ITER zur Messung des bei der Fusion entstehenden Heliums eingesetzt werden soll, der so genannten Ladungs-Austausch-Spektroskopie. Dieses Messverfahren beruht auf der spektroskopischen Analyse des aus dem Plasma emittierten Lichtes und wurde bereits an vielen Fusionsexperimenten weltweit erfolgreich eingesetzt.

Entwicklung der Ladungsaustausch-Spektroskopie an ITER

Die so genannte Ladungsaustausch-Spektroskopie – auch CXRS-Diagnostik genannt – soll im Zentralplasma von ITER zahlreiche wichtige Messgrößen aus der genauen Analyse derjenigen sichtbaren Lichtemission des Plasmas bestimmen, die durch Einschießen eines hochenergetischen Wasserstoff-Neutralteilchenstrahls in das Plasma erzeugt wird. Hieraus lassen sich wichtige Zustandsgrößen der Fusionsmaterie bestimmen: zunächst die Dichte des Heliums, das im Plasma als Ergebnis des Fusionsvorgangs entsteht, und das ständig aus dem Brennraum abgeführt werden muss, damit das Fusionsfeuer nicht durch Verdünnung erlischt. Weiterhin sind mit dieser Methode Plasmatemperatur und -geschwindigkeit zugänglich, sowie die Magnetfeldverteilung, deren Kenntnis für die zuverlässige Kontrolle des Plasmas benötigt wird. Schließlich ist mit CXRS auch die Zusammensetzung des Plasmas bestimmbar: Deuterium- und Tritiumdichten, von deren Verhältnis zueinander die erzielte Fusionsleistung abhängt.

Die Anwendung dieses Messverfahrens an ITER stellt jedoch eine Herausforderung vor allem für die Ingenieure dar, weil an ITER alle Komponenten im Inneren der Anlage im Betrieb starken Belastungen ausgesetzt sind: Plasmastrahlung, Neutronenfluss, Materialabtragung und -ablagerung, Temperaturunterschiede und elektromagnetische Kräfte wirken auf die Komponenten ein. Deren Wartung und Reparatur sind an ITER wegen der ionisierenden Strahlung und der schwierigen Zugänglichkeit der Anlage stark erschwert und können nur durch fernbedienbare Werkzeuge bzw. Roboter durchgeführt werden.

Bei der Entwicklung von Messtechnik und Diagnostiksystemen können daher nicht einfach vorhandene Konzepte in simpler Weise auf ITER übertragen werden. Es sind vielmehr spezielle und aufwändige Entwicklungen notwendig, damit die Systeme an ITER über einen langen Zeitraum möglichst wartungsfrei funktionieren. Aufgrund der Komplexität der genannten technischen Herausforderungen werden im Vorfeld des Baus dieser Systeme zunächst Konzepte entwickelt und im Detail ingenieurmäßig durchgerechnet, dann Prototypen entwickelt und schließlich getestet. Basierend auf den Testergebnissen sollen danach die endgültigen Komponenten für ITER entwickelt und gefertigt werden. Im Rahmen des schrittweisen Aufbaus von ITER werden sie teilweise vor dem ersten Plasma in 2020, teilweise auch in den Jahren danach bis etwa 2023 geliefert und eingebaut.

Die Entwicklung der CXRS-Diagnostik erfolgt im Rahmen eines Konsortiums mit Partnern aus den Niederlanden (ITER-NL), Großbritannien (CCFE), Ungarn (HAS) sowie dem KIT (Karlsruhe). Der Jülicher Beitrag zu CXRS umfasst zunächst die Entwicklung der mechanischen Komponenten eines Spiegel-Labyrinths innerhalb des als "Port-Plug" bezeichneten Einschubs an ITER, in den der vordere Teil des CXRS-Systems eingebaut werden muss. Dieses Spiegel-Labyrinth hat die Aufgabe, das zu messende Licht aus dem ITER-Plasma zu den Spektrometern und Detektoren zu leiten. Hierzu entwickeln wir Konzepte für eine möglichst optimale Spiegelanordnung im Hinblick auf eine gleichzeitige Optimierung der Spiegel-Lebensdauer und der optischen Performance.

Konstruktionszeichnung Port Plug

Konstruktionszeichnung des Upper Port Plugs für ITER

Es werden Modelle und Prototypen für die wichtigsten Komponenten innerhalb des CXRS-Port-Plugs entwickelt und getestet: ein mechanischer Verschluss (Shutter) zum Schutz desjenigen Spiegels, der dem Plasma direkt zugewandt ist ("erster Spiegel"), ein ionenstrahlgestütztes Reinigungssystem zur Entfernung abgelagerter Wandmaterialien von der Oberfläche des ersten Spiegels, ein Kalibriersystem zur Vermessung der Transmission des Spiegel-Labyrinths, technische Vorrichtungen zur Erleichterung von Wartung und Reparatur sowie mechanische Spiegelhalter, die den Kräften und thermischen Lasten standhalten und die mittels fernbedienbarer Werkzeuge montiert und justiert werden können. Weiterhin berechnen wir atomphysikalische Daten für die Auswertung der gemessenen Spektren und entwickeln und testen gemeinsam mit unseren Konsortialpartnern ein Prototyp-Spektrometer zur genauen Analyse des zu messenden Lichts. Schließlich sind wir weltweit federführend beteiligt an Untersuchungen zum Verständnis und der Optimierung der Lebensdauer der ersten Spiegel für die CXRS-Diagnostik sowie für weitere erste Spiegel an ITER.

Die Lösung der vielfältigen Probleme bei der Entwicklung des ITER CXRS Systems erfordert die enge Zusammenarbeit von Physikern und Ingenieuren verschiedener Fachrichtungen. Teilaufgaben in diesem Projekt können auch als Master- oder Doktorarbeiten vergeben werden.


Kontakt

Dr. Philippe Mertens

Telefon 02461 61-3036
Telefax 02461 61-3331
ph.mertens@fz-juelich.de


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