Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X ist ein experimenteller Stellarator, der derzeit (2007) in Greifswald am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) aufgebaut wird und der 2014 fertiggestellt sein soll. Er ist eine Weiterentwicklung des Wendelstein 7-AS. Mit dem Wendelstein 7-X sollen die Hauptkomponenten eines möglichen zukünftigen Fusionsreaktors getestet werden, der auf Stellaratorbasis funktioniert. Wendelstein 7-X ist jedoch selbst kein Fusionsreaktor.

Ziel der Fusionsforschung ist es, aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie zu gewinnen, ähnlich wie es in der Sonne geschieht. Um eine Fusion zu erreichen, muss der Brennstoff (ein Wasserstoffplasma aus einem Gemisch aus schwerem und überschwerem Wasserstoff), auf Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius aufgeheizt werden. Die notwendige sehr gute Isolation kann (im Prinzip) durch einen Einschluss des Plasmas in einem Magnetfeld erreicht werden. Wendelstein 7-X, die nach der Fertigstellung weltweit größte Fusionsanlage vom Typ Stellarator, hat die Aufgabe, die Kraftwerkseignung dieses Bautyps zu untersuchen. Mit bis zu 30 Minuten langen Entladungen soll sie seine wesentliche Eigenschaft vorführen, die Fähigkeit zum Dauerbetrieb.

Die Bezeichnung Wendelstein für die Stellaratorexperimente des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik ist eine Anspielung auf die frühen Stellaratorexperimente 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.

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Aufbau und Hauptkomponenten

Der Wendelstein 7-X besteht im Wesentlichen aus einem Toroid, dessen fünfzig ihn umgebenden 3,5 Meter hohe nicht-planaren und zwanzig planaren supraleitenden Magnetspulen ein Magnetfeld erzeugen, die das Plasma so einschließen, dass es nicht mit der Gefäßwand in Berührung kommt. Die planaren Magnete dienen dabei zur Veränderung des Magnetfeldes. Mit flüssigem Helium auf Supraleitungstemperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt verbrauchen die Magnetfeldspulen nach dem Einschalten kaum Energie (nur Kühlleistung) und können stationär arbeiten.

Weitere Hauptkomponenten umfassen den Kryostaten, das Plasmagefäß, den Divertor, die Systeme zum Aufheizen des Plasmas und die Versorgungseinrichtungen für elektrische Energie sowie Kühlung.

Den gesamten Spulenkranz umschließt eine wärmeisolierende Außenhülle von 16 Metern Durchmesser, der Kryostat. Eine Kälteanlage liefert eine ausreichende Heliummenge, um später 5000 Watt Wärmeleistung abzutransportieren und somit die Magnete und ihre Abstützung, rund 425 Tonnen Material, auf Supraleitungstemperatur zu kühlen. Im Inneren des Spulenkranzes liegt das in 20 Teilen gefertigte Plasmagefäß, das in seiner Form dem verwundenen Plasmaschlauch angepasst ist. Wärmeisolierte Stutzen, die zwischen den Spulen und durch den Kryostaten hindurchgeführt werden, ermöglichen einen Zugang zum inneren Plasmagefäß. Durch insgesamt 299 Öffnungen im Plasmagefäß soll das Plasma später beobachtet und geheizt werden.

Montage

Die ganze Anlage ist aus fünf nahezu baugleichen Modulen aufgebaut, die zunächst vormontiert und erst in der Experimentierhalle zu einem Torus zusammengesetzt werden.

Vormontage

Anfang April 2005 wurde mit dem Zusammenbau der ersten Modulhälfte die Montage begonnen.

In den Vormontagestand 1b wurde das erste Teil des Plasmagefäßes hinein gehoben. Dabei brachte man die erste, sechs Tonnen schwere Magnetspule mittels eines Spezialgreifers vorsichtig durch die nur wenige Millimeter breiten Zwischenräume auf das Gefäßsegment auf. Anschließend kann man den zweiten Sektor des Plasmagefäßes anschweißen. Danach wird die Wärmeisolation an der Nahtstelle vervollständigt.

Mit dieser Superisolation trennt man die tiefkalten Magnetspulen von ihrer wärmeren Umgebung (Kryovakuum bei Flüssigstickstoff-Temperatur). Sie besteht aus glasfaserverstärkten Kunststoff-Paneelen, in welche zwecks besserer 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 Montage-Stützen geometrisch präzise ausgerichtet. Nun wird anschließend ein Segment des Tragrings gegen die Spulen geschoben und verschraubt. Nach den abschließenden Zusatzarbeiten und zahlreichen Kontrollvermessungen ist dann 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 Plasmagefäß-Teile 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 an den Spulen die Verrohrung für die Helium-Kühlung. Danach wird alles auf Leckdichtigkeit geprüft. Sind nun noch 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.

Experimenthalle

Das Modul wird nun 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 Stutzen, 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 Stahlpanelen 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.

Vorbereitung

Zu den Vorbereitungen gehört 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. Somit entstanden insgesamt 450 einzelne Arbeitspakete. Die mit der Qualitätssicherung betrauten Ingenieure haben anschließend jeden Schritt geprüft.

Technische Daten

Finanzierung

Finanziert wird das Projekt Wendelstein 7-X durch die Europäische Union zusammen mit dem Bund und dem Land Mecklenburg-Vorpommern.

Siehe auch

• Kernfusionsreaktor
• Stellarator
• Tokamak
• JET
• ITER