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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Fusionstechnologie

Auf dem Weg zur kommerziellen Nutzung der Kernfusion zur Elektroenergieerzeugung sind zahlreiche ingenieurwissenschaftliche Herausforderungen zu bewältigen. Das Forschungszentrum Jülich hat mit seinem eigenen Fusionsexperiment TEXTOR umfangreiche Erfahrungen in der Fusionstechnologie erworben. Diese werden nun auch für andere wie JET, Wendelstein 7-X und ITER eingesetzt.

Die Fusionstechnologie des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung – Plasmaphysik ist in allen Phasen des Lebenszyklus wissenschaftlicher Großexperimente zur Kernfusion präsent. Das umfasst sowohl die Konzeptentwicklung, Konstruktion, Fertigung, Test und Inbetriebnahme neuer als auch den Betrieb und Ausbau vorhandener Experimentiereinrichtungen.

Die einzelnen Arbeiten sind in Projekten organisiert, die zum Teil in Kooperation mit anderen wissenschaftlich-technischen Einrichtungen des Forschungszentrums sowie zusammen mit Partnern an Hochschulen, externen Forschungseinrichtungen und in der Industrie durchgeführt werden.

Hoch belastete Komponenten im Plasmagefäß

Als Partner in einem internationalen Konsortium entwickelt das Institut für Energie- und Klimaforschung – Plasmaphysik Konzepte für ein Plasmabeobachtungssystem am Fusionsexperiment ITER, das derzeit im Rahmen eines internationalen Vertrages in Südfrankreich aufgebaut wird. Die Ladungsaustausch-Rekombinations-Spektroskopie (Charge Exchange Recombination Spectroscopy – CXRS) dient der Ermittlung verschiedener Plasmaparameter durch Auswertung von Spektrallinien desjenigen Lichtes, das durch Wechselwirkung eines hochenergetischen Teilchenstrahls mit dem Plasma erzeugt wird. Das Institut für Energie- und Klimaforschung – Plasmaphysik konzentriert sich dabei auf die Entwicklung der Komponenten in dem als Port-Plug bezeichneten Einschub in das Vakuumgefäß. Das Licht wird dort über mehrere abbildende Spiegel durch ein Labyrinth in der Neutronenabschirmung geleitet. Die Herausforderungen bestehen unter anderem darin,

  • einen optimalen Kompromiss zwischen transportierter Lichtmenge und Erhalt der Abschirmwirkung zu finden,
  • die Spiegel gegen Ablagerungen aus dem Plasma zu schützen und Austausch- oder Reinigungsprozeduren vorzusehen,
  • die Spiegel mit hoher Genauigkeit und Stabilität zu lagern und
  • alle Komponenten auf die zu erwartenden mechanischen, thermischen und nuklearen Beanspruchungen auszulegen.

Einige zum Teil patentierte Detaillösungen wurden bereits entwickelt. Das Ziel ist, für alle kritischen Komponenten Konzepte zu entwickeln, deren Tauglichkeit mit Simulationsrechnungen und Prototyptests nachgewiesen werden kann.

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Mögliches Layout des CXRS-Port-Plugs für ITER.

Supraleitende Spulenverbinder

Der Stellarator Wendelstein 7-X wird derzeit in Greifswald aufgebaut.
Das Institut für Energie- und Klimaforschung – Plasmaphysik hat die Entwicklung, Herstellung und Montagevorbereitung des supraleitenden Bussystems für Wendelstein 7-X übernommen. Das Bussystem verbindet die 70 supraleitenden Spulen untereinander sowie mit den Stromzuführungen. Außer der Herstellung des komplexen Verbindungsschemas muss das Bussystem für beträchtliche elektromagnetische Kräfte, thermomechanische Belastungen und Hochspannungsfestigkeit ausgelegt werden. Eine besondere Herausforderung besteht darin, in der Stützstruktur die erforderliche Festigkeit zur Aufnahme der Kräfte mit einer hinreichenden Flexibilität zur Tolerierung thermisch und magnetisch bedingter gegenseitiger Verschiebungen der Stützpunkte zu verbinden.

In Jülich wurden das Bussystem entwickelt, die Fertigungs- und Prüfeinrichtungen erstellt, sowie der Herstellungs- und Prüfprozess qualifiziert.  Die Montage wurde bis zum erfolgreichen Abschluss durch Jülich betreut.

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Supraleitendes Bussystem für eines von fünf Modulen des Magnetspulensystems an Wendelstein 7-X.

Wandkomponenten

In dem in europäischer Zusammenarbeit betriebenen Fusionsexperiment JET in Südengland soll erstmalig die für ITER relevante Kombination von Wandmaterialien in ihrer Wechselwirkung mit dem Fusionsplasma getestet werden. Das Forschungszentrum Jülich hat dafür die Entwicklung von Divertormodulen aus massivem Wolfram übernommen. Der Divertor befindet sich am unteren Rand des Hauptplasmas und dient der Abfuhr der Fusionsasche (Helium) und von Verunreinigungen. Außerdem werden dort lokal große Wärmelasten auf kleinen Flächen abgeführt.

Die Beherrschung von Kräften aus transienten elektromagnetischen Vorgängen, der Wärmetransport im Divertormodul, sichere Verbindungskräfte bei starker thermischer Dehnung und die Sprödigkeit des Werkstoffs Wolfram sind einige der zu lösenden technologischen Probleme. Mit zahlreichen Simulationsrechnungen und Prototypentests wurde das entwickelte Konzept geprüft. Mit dem Einbau der Module in den Tokamak JET wurde das Projekt erfolgreich beendet. In ersten Plasmaexperimenten hat der neue Divertor seine Funktionsfähigkeit nachgewiesen.

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Mit Wolframlamellen bestückte Divertormodule im unteren Bereich des JET-Tokamaks, die "ITER-like Wall".

Testeinrichtungen für Wandmaterialien

Plasma-Wand-Wechselwirkungen sind zentraler Gegenstand der Forschung der Plasmaphysik in Jülich. Versuche dazu werden sowohl in TEXTOR als auch in anderen Tokamaks durchgeführt. Zusätzlich werden Experimente genutzt, die einzelne Eigenschaften des Plasmas wie Teichen- oder Energiefluss nachbilden. Die technologischen Beiträge befassen sich dabei mit der Entwicklung und der Ertüchtigung dieser Experimentaufbauten. Die in Jülich in Betrieb genommene lineare Plasmaanlage PSI-2 wird mit dem Ziel, sie in einer heißen Zelle zur Untersuchung kontaminierter oder aktivierter Wandmaterialien zu verwenden, weiterentwickelt. An dieser und an weiteren Plasmaanlagen ist das Institut für Energie- und Klimaforschung – Plasmaphysik mit der Entwicklung von Manipulatoren und Plasmabeobachtungssystemen beteiligt.

Zusätzlich wird der Teststand MARION, der ursprünglich dem Test von Ionenquellen für Tokamakheizsysteme diente, als Einrichtung zur Beaufschlagung von Wandmaterialien mit hochenergetischen Teilchenstrahlen weiterentwickelt.
Im IEK-2 betreibt das Forschungszentrum Jülich zwei Elektronenstrahlanlagen (JUDITH 1 und JUDITH 2), mit denen potenzielle Wandmaterialien und Wandkomponenten künftiger Fusionsreaktoren mit relevanten Wärmeflüssen von bis zu 20 MW/m2 belastet werden können. Transiente Belastungen reichen sogar bis zu einigen GW/m2. Einrichtungen zur zerstörungsfreien Materialprüfung mit Hilfe der Messung von Infrarotstrahlung ergänzen die Forschungsmöglichkeiten.

 

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Konzept für die Erweiterung der Ionenstrahl-Testeinrichtung MARION.

Kontakt

Dr.-Ing. Olaf Neubauer

Telefon 02461 61-4659
Telefax 02461 61-3331
o.neubauer@fz-juelich.de


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