Energiegewinnung nach dem Vorbild der Sonne

Ähnliche Dokumente
Fusionsexperiment Wendelstein 7-X

VAKUUMLÖSUNGEN FÜR WENDELSTEIN 7-X

Integrierte Druckmessung

MVP DC SERIE. Membranpumpen als Vorpumpen für HiPace-Turbopumpen

Vacu 2. Mehrstufen-Vakuumverfahren. Innovative Lösungen für Zuverlässigkeit und Effizienz im Druckgießen.

Ferienakademie Kernfusion. von Matthias Dodenhöft

ACTIVELINE. Kapazitive Transmitter CMR Temperaturgeregelt oder temperaturkompensiert

Kapitel 5: Kernfusion

Projekt Wendelstein 7-X Feinwerktechnik in der Fusionsforschung

ASM 310. Portabler Helium-Lecksucher. Kombiniert ultraleichtes Gewicht mit höchster Leistung.

RITZ-Gießharz-Leistungstransformatoren auch präsent im Forschungsbereich

Forschung für die Energie der Zukunft

Kernfusion und Wendelstein 7-X

FWU Schule und Unterricht. FWU-Klassiker Kernfusion. FWU das Medieninstitut der Länder

Kernfusion durch magnetischen Einschluss

ADH SERIE. Die neuen ölfreien Hochleistungspumpen für aktuelle Prozessanwendungen

Bei dieser Reaktion fusionieren Deuterium und Tritium zu einem Heliumkern und einem Neutron: 2 H +

Fusion von Wasserstoff

Experimentierbeginn an der Fusionsanlage Wendelstein 7-X Start of scientific experimentation at the Wendelstein 7-X fusion device

ASI 35. Modularer Prüfgas-Lecksucher Höchste Leistungsfähigkeit mit Helium und Wasserstoff für industrielle Lecksuchsysteme.

HiPace 400 mit TC 400, Profibus, DN 100 ISO-K

HiPace 300 mit TC 110, DN 100 CF-F

Über Arbeiten zur Hydromagnetik elektrisch leitender Flüssigkeiten, über Verdichtungsstöße und aus der Hochtemperaturplasmaphysik

Dieter Suter Physik B3

Energieforschung für die Zukunft Auf dem Weg zu einem Fusionskraftwerk

Auf der Spur des Higgs Bosons Das größte Vakuumsystem der Welt vertraut auf Vakuumlösungen von Pfeiffer Vacuum

Testanlage ITER Fusionsforschung in globaler Zusammenarbeit Alexander M. Bradshaw, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), Garching, Greifswald

HiPace 300 mit TC 400, Profibus, DN 100 ISO-K

Die Welt von morgen - die Sicht eines Energieforschers

Kraft. Sonne. der. Mit der FUSIONSENERGIE

1. Was ist Kernfusion? 2. Fusionsreaktionen auf der Erde

Fusion- eine neue Primärenergiequelle der Zukunft

Physik VI Plasmaphysik

Pro und Contra Kernfusionsforschung

Aufgabe I: Fusionsreaktor und Sonne

Fusionsenergie. Fusionsenergie 1

Kernfusion die Energiequelle der Sonne auf der Erde nutzen Sibylle Günter

30 Minuten für den ersten Teil und weitere 30 Minuten für den fakultativen zweiten Teil.

Ihr Partner. für die Vakuum- und. Beschichtungstechnik

Ortung einer Leckage mit dem Ultra-Schnüffler-Testgasverfahren für das Fusionsexperiment Wendelstein 7-X (W7-X)

Neue Einsatzbereiche der Mikrowellenheizung an ASDEX Upgrade New applications for microwave plasma heating on the ASDEX Upgrade fusion experiment

ARD Globus: Kernfusion Februar 1996

Magnetismus. Vorlesung 5: Magnetismus I

Plasmatechnologie für Medizin und Pharmazie

Am 26. Juli 2010 feiert das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) sein 50-jähriges Bestehen,

Moderne Experimentalphysik III: Kerne und Teilchen (Physik VI)

Einführung in die Kern- und Teilchenphysik I Vorlesung Kernfusion: Energieerzeugung Funktionsweise von Fusionsreaktoren

Radioaktivität Haller/ Hannover-Kolleg 1

Fachhochschule Südwestfalen Wir geben Impulse

Kernfusion und Neutronik am Beispiel des Stellarator Leistungsreaktors HELIAS

Pascal. Zweistufige Drehschieberpumpen für Grob- und Feinvakuum

Die Sonne. Ein Energieversorger

Vortrag: Prof. Dr. Hartmut Zohm, Direktor des Max-Planck-Instituts für Plasmaforschung, 2015.

Fusion bedeutet das Verschmelzen leichter Atome (z.b. Wasserstoff) zu schweren (z.b. Helium).

Kernfusionsforschung in Mecklenburg-Vorpommern

Energieerzeugung durch Kernfusion

ACP 15 / 28 / 40. Ölfreie, kompakte mehrstufige Wälzkolbenpumpen. Sauberes Vakuum. Hohe Zuverlässigkeit.

Forschung für die Energie der Zukunft

Primärproblem: Bevölkerungswachstum

umwandlungen Atommodelle, Rutherford-Experiment, Atomaufbau, Elektronen, Protonen,

Kernreaktionen chemisch beschrieben

Kernfusion die Energiequelle der Zukunft?

Was ist ein Plasma? Max Camenzind Akademie HD 2018

1 Physikalische Grundbegriffe

DER WEG VOM EXPERIMENT ZUM KRAFTWERK

Thema heute: Aufbau der Materie, Atommodelle Teil 2

Wiederholung: Magnetfeld: Ursache eines Magnetfelds: bewegte elektrische Ladungen veränderliches Elektrisches Feld

Fusionsforschung auf dem Weg zu einem energieliefernden Plasma

2 Elektrostatik. 2.1 Coulomb-Kraft und elektrische Ladung. 2.1 Coulomb-Kraft und elektrische Ladung

Projektpräsentation Praktikumssemester am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Energieversorgung Kernfusion oder doch Windräder?

TIPPS UND TRICKS VOM EXPERTEN

Chemie Zusammenfassung III

Neutronensterne. Belegarbeit von. Steven Kirchner

Grundwissen Physik 9. Jahrgangsstufe

Energieerzeugung durch Fusion

Massive Sterne: Gravitationskollaps-Supernovae, Neutronensterne & Pulsare

durch Teilungsversuche durch Spektraluntersuchungen Jedes Atom besitzt einen Atomkern, in dem fast die gesamte Masse vereinigt ist.

Laserfusion. Georg Hofmann. 05. Juni Uni Osnabrück. Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni / 43

Neutrinos: Kosmische Leichtgewichte auf der Waagschale von KATRIN

VAKUUMSYSTEME FÜR DIE MOBILE ANALYTIK

Plasmaphysik und Kernfusion

Helium-Dichtheitsprüfsysteme

Abstand der Deuteronen: R. Abbildung 2.22: Energie von 2 Deuteronen als Funktion des Abstandes

Messung der Schraubenkraft mittels Ultraschall bei der Montage von W7-X

41. Kerne. 33. Lektion Kerne

Infokriegernews berichtet.

Schonend fördern und dosieren

ELMs unter Kontrolle

Die Inbetriebnahme von Wendelstein 7 X: der Beitrag des Stellarators zur Fusionsforschung

AUS LEIDENSCHAFT FÜR PERFEKTION. HiPace M. Kompakte, magnetgelagerte Turbopumpen mit integrierter Antriebselektronik

-Technologie für beste Laufeigenschaften. Miniatur-Kugelgewindetriebe 3-16 mm.

Keine Welt ohne explodierende Sterne. Bruno Leibundgut Europäische Südsternwarte (ESO)

Messtechnik Optik & Photonik. Polarization Analyzer Series SK010PA-...

Einführung Fusions- forschung. indie

Fusionsforschung Auf dem Weg zu einer neuen Primärenergiequelle Robert Wolf

-Technologie für beste Laufeigenschaften. Präzisions-Kugelgewindetriebe mm.

Stand der Fusionstechnik

Physik Spezialgebiet Die Kernfusion

Transkript:

Energiegewinnung nach dem Vorbild der Sonne Vakuumtechnik ermöglicht die Herstellung von Fusionsbedingungen Auf der Suche nach alternativen und sauberen Energiequellen gewinnt die Energieerzeugung durch Kernfusion zusehends an Bedeutung. Bereits seit den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts versuchen Wissenschaftler weltweit, die Kernfusion auf der Erde friedlich zu nutzen. In der Sonne funktioniert das perfekt. Die dort herrschenden extremen Bedingungen nachzuahmen sind für Physiker und Ingenieure jedoch ein hartes Stück Arbeit. Grundsätzlich geht es darum, je zwei Wasserstoff-Isotope miteinander zu einem neuen Helium-Atomkern zu verschmelzen. Bei diesem Prozess entstehen Helium und ein einzelnes Neutron sowie eine außerordentlich große Energiemenge. Diese frei werdende Energie soll für die Stromgewinnung genutzt werden: Aus nur einem Gramm Brennstoff kann man in einem Kraftwerk so theoretisch 90.000 Kilowattstunden Energie erzeugen. Das entspricht der Verbrennungswärme von 11 Tonnen Kohle. Die Herausforderung bei der Fusionsforschung liegt darin, die Atomkerne zur Verschmelzung zu bringen. Da man die in der Sonne vorliegenden Fusionsbedingungen in einem Kraftwerk auf der Erde nicht ohne Weiteres nachstellen kann, wird die Fusion erst bei einer sehr hohen Plasmatemperatur von ca. 100 bis 150 Millionen Kelvin und im Hochvakuum bei einer im Vergleich sehr geringen Teilchenzahldichte von 10 20 pro Kubikmeter möglich. Nach dem Aufheizen trennen sich die Atomkerne von den Elektronen und bilden das Plasma. Die geladenen Atomkerne werden mit Hilfe eines sehr starken Magnetfelds durch den Reaktor geführt und von den Reaktorwänden ferngehalten. Wenn sich zwei Atomkerne nahe kommen oder sogar zusammenstoßen, verschmelzen diese miteinander und setzen eine große Energiemenge frei. Ein Teil dieser Energie sorgt dafür, dass das Plasma ohne externe Energiezufuhr auf gleicher Temperatur bleibt und seinen Zustand beibehält.

Computergrafik: Kryostat, Magnetspulen und Plasmagefäß der Fusionsanlage Wendelstein 7-X. (Foto: IPP) Um Energie für die Stromgewinnung zu erzeugen, muss letztendlich eine positive Energiebilanz vorliegen. Nur wenn bei der Kernfusion im Kraftwerk überschüssige Energie übrig bleibt, kann diese auch für die Stromgewinnung verwendet werden. In der Fusionsforschung haben sich gegenwärtig Anlagentypen nach dem Tokamak- und dem Stellarator-Prinzip bewährt. Beide Reaktoren schließen das Plasma in einem ringförmigen Magnetfeld ein. Der Tokamak-Reaktor ist symmetrisch aufgebaut und stellt einen Teil des einschließenden magnetischen Feldes durch einen starken, im Plasma fließenden elektrischen Strom her. Stellaratoren hingegen schließen das Plasma mit einem Magnetfeld ein, das alleine von äußeren Spulen erzeugt wird. Hierdurch ergibt sich eine hoch komplexe, asymmetrische Form des Reaktors. Aufgrund der hohen Kosten für die Erforschung der Fusionstechnik werden vermehrt einzelne nationale Forschungsprojekte zu internationalen Gemeinschaftsprojekten zusammengelegt. Zwei große Forschungsprojekte mit internationaler Beteiligung auf dem europäischen Kontinent sind das Tokamak-Projekt ITER in Cadarache, Frankreich, und das Stellarator-Projekt Wendelstein 7-X in Greifswald, Deutschland. Während man sich für das ITER Projekt die Gewinnung von Energie zum Ziel gesetzt hat, soll mit Hilfe der Wendelstein 7-X Fusionsanlage eine Brenndauer von etwa 30 Minuten ohne Energiegewinnung erreicht werden. Wendelstein 7-X ist ein Schlüsselexperiment: Es soll die Kraftwerkstauglichkeit der Stellaratoren demonstrieren und ist gegenwärtig das weltweit größte Fusionsexperiment vom Stellaratortyp. Die Anforderungen an die Vakuumtechnik im Fusionsreaktor Wendelstein 7-X besteht im Wesentlichen aus zwei ineinander geschachtelten, ringförmigen Vakuumkammern. Die äußere Kryostaten-Kammer beinhaltet das Isolationsvakuum und die Kühltechnik für die supraleitenden Spulen, die zur Erzeugung Technische Daten Großer Plasmaradius Kleiner Plasmaradius Magnetfeld Entladungsdauer Plasmaheizung Plasmavolumen Plasmamenge Plasmazusammensetzung Plasmatemperatur Wendelstein 7-X 5,5 Meter 0,53 Meter 3 Tesla bis 30 Minuten, Dauerbetrieb mit Mikrowellenheizung 20 Megawatt 30 Kubikmeter 5 30 Milligramm Wasserstoff, Deuterium, Helium 60 Millionen Kelvin 2

des Magnetfeldes notwendig sind. In der inneren Kammer, dem Plasmagefäß, wird im Hochvakuum das eigentliche Plasma erzeugt. Ein wichtiger Faktor für den Betrieb des Fusionsreaktors ist ein robustes, verlässliches und leistungsfähiges Vakuumsystem. Alle Vakuumkomponenten wurden daher für den Einsatz am Wendelstein 7-X vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik qualifiziert. Im inneren Plasmagefäß der Anlage ergeben sich starke Magnetfelder bis zu einer Stärke von 3 Tesla, um die elektrisch geladenen Teilchen des Plasmas einzuschließen. Die Magnetfeldstärke in der unmittelbaren Umgebung ist derart hoch, dass die Vakuumtechnik über spezielle Aufnahmen in einem Abstand von 4 bis 9 Meter an dem Plasmagefäß montiert werden muss. Selbst in dieser Entfernung betragen die Magnetfeldstärken 7 Millitesla und zeitweise sogar 20 Millitesla. Die Feldstärken sind dabei fast 1.000-fach höher als das natürliche Erdmagnetfeld. INFOBOX Plasma In der Physik versteht man unter Plasma einen gasförmigen Zustand, in dem freie Elektronen und ionisierte Atome vorkommen. Dieser Zustand kann bei hohen Temperaturen (thermischer Zerfall) erreicht werden, beispielsweise auch durch starke elektrische Felder (Blitz, Gasentladungslampe). Bei hohen Temperaturen ( 5.000 Kelvin) zerfallen Gase nahezu vollständig in ein Plasma. Das Plasma wird nicht durch einen Phasenübergang aus dem Gas erzeugt wie etwa Wasser aus Eis, sondern durch Reaktion, nämlich durch den Zerfall eines neutralen Atoms in ein 0-Ion und ein Elektron. Es kann sich dann ein Gleichgewicht zwischen neutralen Atomen und elektrisch geladenen Ionen einstellen, das durch die sogenannte Saha-Gleichung beschrieben wird. Bei noch höheren Temperaturen können die Atomkerne gänzlich freigelegt werden, was bei der Kernfusion wichtig ist. Grundsätzlich verhält sich ein Plasma wie ein Gas, mit Elektronen und Kationen oder Atomkernen als kleinsten Teilchen. Diese Eigenschaft macht das Plasma zu einem guten elektrischen Leiter. Um den Basisdruck im Plasmagefäß von 10-8 Hektopascal zu erreichen, müssen neben dem Kammervolumen von 100 Kubikmetern auch die durch Ausgasung der inneren Oberfläche von ca. 1.300 Quadratmetern entstehenden Gaslasten abgepumpt werden. Zudem müssen die eingesetzten Vakuumpumpen in der Lage sein, die am Fusionsprozess beteiligten leichten Gase Wasserstoff, Deuterium und Helium, mit einer hohen Kompression abzupumpen. Eine gute Verträglichkeit der Turbopumpen gegenüber den Materialien, die für die Beschichtung der Oberflächen des Plasmagefäßes verwendet werden, ist eine weitere Voraussetzung. Aufnahme einer Plasma-Entladung in einer Fusionsanlage. (Foto: IPP) 3

Die Lösung von Pfeiffer Vacuum Aufgrund der hohen Einsatz- und Qualitätsanforderungen an das Vakuumsystem, qualifizierte sich Pfeiffer Vacuum als kompetenter Partner für dieses Projekt. Zusammen mit den Experten des Kernfusionsexperiments Wendelstein 7-X wurde die benötigte Vakuumausrüstung sorgfältig ausgewählt und entsprechend den Anforderungen und Einsatzbedingungen verifiziert: Turbopumpen Für beide Vakuumkammern kommen HiPace Turbopumpen von Pfeiffer Vacuum der Saugvermögensklasse 2.000 Liter pro Sekunde zum Einsatz, welche die besonders hohen Anforderungen von Fusionsexperimenten erfüllen. Alleine an dem Plasmagefäß stellen alle installierten Turbopumpen insgesamt ein Saugvermögen von etwa 40.000 Liter pro Sekunde bereit. Durch die starken Magnetfelder in der Experimentumgebung werden auf die Rotoren der schnelldrehenden Turbopumpen sogenannte magnetische Wirbelströme induziert, die zu einem hohen Wärmeeintrag in die Pumpen führen. Dank des speziellen Lagerungsprinzips und des inneren Aufbaus der HiPace Turbopumpe HiPace 2300 (Beispielabbildung) Wendelstein 7-X im März 2014, kurz vor dem Ende der Hauptmontage. (Foto: IPP, Beate Kemnitz) 4

Turbopumpen ist gewährleistet, dass eine große Menge der Wärme abgegeben werden kann und die Pumpen so eine in Versuchsreihen nachgewiesene hohe thermische Betriebssicherheit in äußeren Magnetfeldern erreichen. Aus der guten Magnetfeldverträglichkeit der Turbopumpen von Pfeiffer Vacuum ergibt sich der Vorteil, dass sie in relativ kurzer Entfernung am Plasmagefäß montiert werden können. Durch die daraus resultierenden kürzeren Rohrleitungen wird ein höheres effektives Saugvermögen am Plasmagefäß erzielt. Ein weiterer Vorteil sind die auf die mechanische Betriebssicherheit ausgelegten ausgesprochen niedrigen Drehmomente der hybridgelagerten Turbopumpen. Die bei der Befestigung der Pumpen zu berücksichtigenden Drehmomente liegen um den Faktor 3 bis 4 niedriger im Vergleich zu anderen Bauarten. Messtechnik An den Vakuumkammern werden speziell für den Einsatz in rauen Bedingungen entwickelte Druckmessgeräte von Pfeiffer Vacuum eingesetzt. Die Verträglichkeit der Messtechnik in starken Magnetfeldern wurde vorab vom Max-Planck-Institut erfolgreich evaluiert. Die zum Einsatz kommenden robusten Kaltkathodenmessröhren sind als passive Sensoren ohne elektronische Bauteile am Flansch ausgeführt. Die dazugehörige Auswerteelektronik befindet sich mehrere Meter entfernt in einem sicheren Bereich und wird über lange Kabel mit den passiven Sensoren verbunden. Die Sensoren werden zudem zusätzlich abgeschirmt, so dass diese auch in den hohen magnetischen Streufeldern zuverlässig den Druck anzeigen. Vakuumbauteile Für die Erzeugung des Vakuums werden Hunderte von speziellen, vakuumtauglichen Verbindungs- und Rohrbauteilen benötigt, die nach den anspruchsvollen Vorgaben des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik gefertigt werden mussten. Neben der hochpräzisen Fertigung sind vor allem die Auswahl geeigneter Materialien mit einer optimalen magnetischen Permeabilität und Kobaltarmut, die Nutzung modernster Fertigungstechnologien wie beispielsweise das Laserschweißen sowie die entsprechenden Qualitätsnachweise wichtige Faktoren für das zuverlässige Funktionieren des Vakuumsystems und damit der gesamten Fusionsanlage. Pfeiffer Vacuum lieferte für die Aufnahme der Turbopumpen mehrere Sonderbauteile mit Nennweiten von DN 400 bis DN 250 sowie Bauteile zur Verrohrung, Flansche und sogenannte Tauchrohre für die visuelle Beobachtung des Plasmas. Insgesamt hat Pfeiffer Vacuum Edelstahl-Vakuumbauteile mit einem Gesamtgewicht von mehr als 12 Tonnen für den Bau des Fusionsexperiments nach Greifswald ausgeliefert. Helium-Lecksuche Das Vakuumsystem wurde am 10. Dezember 2015 in Betrieb genommen. Bevor die Kammern evakuiert werden konnten, musste die Helium-Dichtigkeit von über 2.000 Schweißnähten und weiteren Flanschverbindungen einzeln überprüft und sichergestellt werden. Da sich die Schweißnähte an teilweise schwer zugänglichen Stellen befinden, entschied man sich in Greifswald bewusst für den portablen Lecksucher ASM 310 von Pfeiffer Vacuum. Ein entscheidendes Kriterium war die gute Zuverlässigkeit im Aufspüren von kleinsten Helium-Leckageraten. Aufgrund des geringen Gewichts und der kompakten Bauform des ASM 310 konnte dieser einfach an die zu untersuchenden Nähte transportiert werden und eignete sich daher ideal für dieses Einsatz-gebiet. ModulLine IKR 070 Sonder-Rohrbauteile Helium-Lecksucher ASM 310 5

Vakuumlösungen aus einer Hand Pfeiffer Vacuum steht weltweit für innovative und individuelle Vakuumlösungen, für technologische Perfektion, kompetente Beratung und zuverlässigen Service. Komplettes produktsortiment Vom einzelnen Bauteil bis hin zum komplexen System: Wir verfügen als einziger Anbieter von Vakuumtechnik über ein komplettes Produktsortiment. Kompetenz in Theorie und Praxis Nutzen Sie unser Know-how und unsere Schulungsangebote! Wir unterstützen Sie bei der Anlagenplanung und bieten erstklassigen Vor-Ort-Service weltweit. Sie suchen eine perfekte Vakuumlösung? Sprechen Sie uns an: www.pfeiffer-vacuum.com Pfeiffer Vacuum GmbH Headquarters Germany T +49 6441 802-0 info@pfeiffer-vacuum.de Irrtümer und/oder Änderungen vorbehalten. PI0391PDE (Januar 2016/0)