Fusionsexperiment Wendelstein 7-X

Transkript

1 Fusionsexperiment Wendelstein 7-X Garching - Greifswald

2 Wendelstein 7-X, die weltweit größte und modernste Fusionsforschungsanlage ihrer Bauart, wird gegenwärtig im Teilinstitut Greifswald des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) aufgebaut. Ziel der theoretischen und experimentellen Grundlagenforschung ist die Entwicklung eines Fusionskraftwerkes, das - nach dem Vorbild der Sonne - aus der Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu Helium Energie erzeugt. Wenn es gelingt, diesen Prozess für die Energiegewinnung auf der Erde nutzbar zu machen, steht eine sichere, saubere und nahezu unerschöpfliche Energiequelle zur Verfügung.

3 Die Fusionsforschung konzentriert sich auf zwei Anlagentypen: den Tokamak und den Stellarator. Beide schließen ein extrem dünnes, elektrisch geladenes Wasserstoffgas - ein sogenanntes Plasma - in Magnetfeldern ein. Das Magnetfeld des Stellarators Wendelstein 7-X wird durch komplex geformte supraleitende Magnete erzeugt. Diese formen einen Magnetfeldkäfig, in dem wenige tausendstel Gramm Wasserstoffgas auf Temperaturen bis zu einhundert Millionen Grad aufgeheizt werden. Foto: Wolfgang Filser

4 Foto: Glen Wurden Forschungsziele Das Fusionsexperiment Wendelstein 7-X wird zusammen mit nationalen und internationalen Partnern aus Industrie und Forschung in Greifswald aufgebaut. Gesamtansicht der Fusionsanlage Wendelstein 7-X Wesentliche Daten von Wendelstein 7-X Größe des Experiments Masse Großer Plasmaradius Kleiner Plasmaradius Magnetfeld Entladungsdauer Plasma Zusammensetzung Volumen Menge Plasmaheizung Plasmatemperatur Plasmadichte Energieeinschlusszeit 16 m Durchmesser, 5 m Höhe 725 t 5,5 m (im Mittel) 0,53 m (im Mittel) 3 Tesla Dauerbetrieb für 30 min mit Mikrowellenheizung Wasserstoff, Deuterium 30 Kubikmeter 0,005 bis 0,03 Gramm 15 Megawatt bis 100 Millionen Grad 20 3 bis 3 x 10 Teilchen/m 0,15 Sekunden Mit der Inbetriebnahme im Jahr 2014 wird das erste Ziel am Wendelstein 7-X erreicht: der Nachweis, dass man eine solch komplizierte Anlage tatsächlich bauen kann. Im Anschluss soll Wendelstein 7-X den Dauerbetrieb unter kraftwerksrelevanten Plasmabedingungen zeigen und damit wichtige Erkenntnisse für den Bau eines Demonstrationskraftwerks liefern. Für den Dauerbetrieb der Anlage, der bisher noch von keiner Fusionsanlage auf der Welt erreicht wurde, ist die Entwicklung spezieller Technologien notwendig.

5 Aufbau der Fusionsanlage Kernstück von Wendelstein 7-X ist das Spulensystem aus 50 nichtebenen und 20 ebenen supraleitenden Magnetspulen. Im Betrieb werden sie auf minus 270 Grad Celsius abgekühlt, das ist nahe dem absoluten Nullpunkt. Die supraleitenden Spulen erzeugen nahezu verlustfrei starke magnetische Felder, was für den Dauerbetrieb notwendig ist. Wegen der tiefen Betriebstemperatur sind die Spulen in einem Kryostaten eingebaut, der von Plasma- und Außengefäß gebildet wird. Das hier erzeugte Vakuum sorgt für die Wärmeisolation der Spulen. Durch 254 Stahlrohre bzw. Stutzen kann das Plasma beobachtet, versorgt und geheizt werden. Um die Wand des Plasmagefäßes vor den entstehenden Wärmeflüssen und umgekehrt das Plasma vor Verunreinigungen aus der Wand zu schützen, wird die Wand kontinuierlich mit Wasser gekühlt. Ein Hochleistungswärmetauscher (Divertor) sorgt für die Abfuhr der Wärme an den am höchsten belasteten Stellen. Foto: Tino Schulz Blick auf ein Modul des Wendelstein 7-X während der Montagephase

6 Plasmaring des optimierten Stellarators Wendelstein 7-X Der optimierte Stellarator Das Konzept des Stellarators wurde 1951 von dem amerikanischen Fusionsforscher Lyman Spitzer vorgeschlagen. Im Gegensatz zum Tokamak erzeugt ein Stellarator die für den stabilen Plasmaeinschluss notwendige Verdrillung der Magnetfeldlinien allein durch äußere Magnetfeldspulen. Bereits seit 1960 hat man Stellaratoren im IPP in Garching untersucht. Diese klassischen Stellaratoren schlossen das Plasma jedoch deutlich weniger gut ein als Tokamaks. Zur Verbesserung des Plasmaeinschlusses suchte man daher am IPP systematisch nach dem optimalen Magnetfeld. Eine Weiterentwicklung der Wendelstein-Stellaratoren mit ihrer komplexen, dreidimensionalen Geometrie wurde erst durch leistungsfähige Großrechner in den 1980er Jahren möglich. Das theoretische Konzept für den optimierten Stellarator Wendelstein 7-X wurde innerhalb von zehn Jahren entwickelt. Teile des Konzepts konnte der kleinere Vorgänger Wendelstein 7-AS ( ) in Garching erstmals experimentell untermauern.

7 Wendelstein 7-X und ITER Mit seinem optimierten Magnetfeldkäfig soll Wendelstein 7-X die Kraftwerkstauglichkeit des Stellarators nachweisen. Wendelstein 7-X wird jedoch noch keine Energie liefern, da die Anlage zu klein ist und auch nicht mit dem eigentlichen Kraftwerksbrennstoff arbeiten wird. Das Verhalten eines brennenden Plasmas soll der in weltweiter Zusammenarbeit vorbereitete internationale Experimentalreaktor ITER untersuchen. Eine Reihe von Technologien, die für Wendelstein 7-X entwickelt wurden, ist auch für den Bau von ITER von Bedeutung. So fließen Erfahrungen aus dem Bau der Spulen für Wendelstein 7-X in die Fertigung der ITER- Spulen ein, insbesondere bei der Qualitätssicherung, den Prüf- und Testverfahren und der Spuleninstrumentierung. Nichtebene Magnetspule des Wendelstein 7-X Foto: Anja Richter Ullmann Der Hochleistungswärmetauscher im Plasmagefäß von Wendelstein 7-X, der Divertor, muss die vom Plasma abgestrahlte Wärmeleistung von 10 Millionen Watt pro Quadratmeter im Dauerbetrieb abführen. Dafür wurden Kacheln aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff entwickelt, die auf einen wassergekühlten Metallblock gefügt werden. Der für die Qualifizierung der Serienproduktion in Garching aufgebaute Hochleistungs-Wärmeteststand wird auch für Tests von ITER-Bauteilen genutzt. Die Erfahrungen aus der Serienproduktion und der zerstörungsfreien Untersuchung der Kacheln sind ebenfalls von hoher Bedeutung für ITER.

8 Sie wollen mehr über den Stand der Forschung und Wendelstein 7-X erfahren? Besuchen Sie uns! Termine für Führungen können Sie bei der Abteilung Öffentlichkeitsarbeit telefonisch unter oder per vereinbaren. Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) Teilinstitut Greifswald Wendelsteinstraße Greifswald Tel info@ipp.mpg.de