Artikel Nr. 015
20.06.2011
Wendelstein 7-X
Stromzuführungen gehen in Serie
IPP -
Wendelstein 7-X (W7-X) wird einen großen Vorteil des Stellaratorkonzeptes nutzen: die speziell geformten Spulen gestatten einen dauerhaften Plasmaeinschluss. Um diesen Vorteil zu nutzen, muss das Magnetfeld mit supraleitenden Spulen erzeugt werden: der elektrische Strom fließt im supraleitenden Zustand bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt fast ohne Verluste.
Abb. 1: Foto der am KIT entwickelten W7-X Stromzuführungen. Die linke Seite ist im Betrieb auf Raumtemperatur, das rechte Ende wird mit den supraleitenden Spulen verbunden. (Foto: KIT)
Abb. 2: CAD Zeichnung des Montagevorgangs der Stromzuführungen. Die gelb gekennzeichnete Montagerampe dient dazu, die Stromzuführungen von unten in den W7-X Kryostaten zu führen.
Abb. 3: Vier Module des Wendelstein 7-X auf dem Maschinenfundament in der Torushalle
(Foto: Tino Schulz)
Ohne Supraleitung würde bei den erforderlichen Feldstärken zu viel Wärme erzeugt werden. Dadurch wiederum wäre die Länge der Plasmaentladung begrenzt oder der Aufwand für die Spulenkühlung würde – später in einem Kraftwerk - den Energiegewinn aus der Fusion übersteigen.
Die Verwendung von supraleitenden Spulen führt zu einem technisch nicht unerheblichem Aufwand: Wie schließt man die Spule an den elektrischen Strom an? Der Anschluss muss über sogenannte Stromzuführungen erfolgen. Damit sind diese Zuführungen auch eine Verbindung zwischen Normaltemperatur und den Temperaturen der Supraleiter. Im Betrieb müssen den W7-X-Spulen Ströme von bis zu 18200 Ampere bei -269°C zugeführt werden. Für den Fall einer Schnellabschaltung müssen die Bauteile zudem Hochspannungen von mehreren tausend Volt standhalten; getestet werden sie mit Spannungen bis zu 13.000 Volt.
Dass solche extremen Anforderungen technisch erfüllbar sind, konnte bereits 2003 das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in Zusammenarbeit mit dem Schweizer CRPP Institut demonstrieren: KIT und CRPP bauten erfolgreich einen Stromzuführungsdemonstrator für ITER. Aus diesem Design wurden die speziellen Stromzuführungen für W7-X entwickelt. Abbildung 1 zeigt eine Fotografie eines Prototyps, der zum Ende des vergangen Jahres alle Test erfolgreich absolviert hat. Kernstück ist ein Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) – ein Material das zwar schon bei vergleichsweise „hohen“ Temperaturen von etwa -163°C supraleitend ist, wegen der hohen Ströme und Magnetfelder jedoch bei maximal -213°C betrieben wird. Vorteil der Verwendung von Hochtemperatur-Supraleitern ist, dass ein Übergang geschaffen werden kann, der praktisch widerstandslose elektrische Leitfähigkeit mit schlechter Wärmeleitfähigkeit verbindet.
Die Kühlung des HTS Moduls erfolgt ausgeklügelt über die Wärmeleitung der Materialien: auf der -269°C kalten Seite ist die Stromzuführung mit Bauteilen verbunden, die mit flüssigem Helium gekühlt werden. Das HTS Modul wird auf der ´wärmeren´ Seite dagegen mit kaltem (etwa -223°C) Heliumgas gekühlt, das in den angekoppelten Wärmetauscher eingeleitet wird. Das warme Ende der Stromzuführung kann im Betrieb auf Raumtemperatur gehalten werden.
Eine Besonderheit dieser neu entwickelten Stromzuführung besteht darin, dass im Gegensatz zu allen weltweit bisher verbauten Stromzuführungen bei W7-X der Strom von unten in die Maschine geführt wird. Ein Problem dieser Einbauart stellt jedoch die Konvektionswärme dar, da sie aufsteigt und so den Betrieb der Wärmetauscher beeinträchtigen kann. Die Konstruktion des Wärmetauschers für die W7-X Stromzuführungen muss daher Konvektion unterbinden. Die nun erfolgreich absolvierten Prototyp-Tests haben gezeigt, dass das neue W7-X Prinzip für Stromzuführungen erfolgreich umgesetzt werden kann.
KIT fertigt und testet nun bis Ende 2012 die 14 Serien-Stromzuführungen. Das erste Serienpaar wird im April 2011 dem Abnahmetest unterzogen.
Der Montageablauf der Stromzuführungen im W7-X wurde vom IPP in Zusammenarbeit mit dem Oak Ridge National Laboratory durchgeplant (siehe Abb.2) Vorteilhaft erweisen sich die kurzen Wege zu den schweren Netzteilen für die Spulen, die unterhalb von W7-X aufgestellt sind.
Die Ergebnisse des Prototyptests der in KIT entwickelten Stromzuführungen sind so überzeugend, dass derzeit weitere Stromzuführungen auch für andere Fusionsmaschinen nach dem gleichen Prinzip in Planung sind. Ab 2013 werden von KIT die Stromzuführungen des supraleitenden Tokamak JT-60SA gebaut - einem Gemeinschaftsprojekt der EU mit Japan.
Status W7-X: Insgesamt verläuft die Montage von Wendelstein 7-X nach Plan. Vier von fünf Modulen stehen inzwischen auf dem Maschinenfundament in ihrer endgültigen Position (s. Abb. 3). Eine der Hauptarbeiten ist die Montage der 254 Stutzen. Die besondere Herausforderung besteht darin, Abweichungen von den Sollpositionen im zulässigen Rahmen zu halten. Dies erfordert etwas mehr Aufwand als ursprünglich angenommen, eine Rückwirkung auf die Fertigstellung von W7-X kann durch die Nutzung von Zeitpuffern jedoch abgefangen werden.
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik Greifswald
Association Euratom – IPP
Wendelsteinstraße 1
Germany - 17491 Greifswald
Koordination: Prof. Dr. Robert Wolf
Kontakt: Dr. Andreas Dinklage
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Fax: +49 3834 882509
email: w7xnewsletter@ipp.mpg.de
www.ipp.mpg.de
Quelle: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik Greifswald
Diese Nachricht wurde eingestellt / editiert am: 2011-06-21 10:27:35
