W7X: Mag­net­tests er­folg­reich ab­ge­schlos­sen

Das supraleitende Magnetsystem von Wendelstein 7-X: Fünfzig speziell geformte Stellaratorspulen (blau) und zwanzig flache Spulen (braun) bauen den magnetischen Käfig für das Plasma auf. (Bild: IPP)

Das supraleitende Magnetsystem von Wendelstein 7-X: Fünfzig speziell geformte Stellaratorspulen (blau) und zwanzig flache Spulen (braun) bauen den magnetischen Käfig für das Plasma auf. (Bild: IPP)

Ziel der Fusionsforschung ist es, ein klima- und umweltfreundliches Kraftwerk zu entwickeln, das ähnlich wie die Sonne aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnt. Um das Fusionsfeuer zu zünden, muss in einem Kraftwerk ein Wasserstoffplasma in Magnetfelder eingeschlossen und auf Temperaturen von über hundert Millionen Grad aufgeheizt werden. Wendelstein 7-X, die nach der Fertigstellung weltweit größte Fusionsanlage vom Typ Stellarator, erzeugt noch keine Energie sondern prüft die Kraftwerks­eignung dieses Bautyps. Mit bis zu dreißig Minuten langen Entladungen soll sie seine wesentliche Eigenschaft vorführen: die Fähigkeit zum Dauerbetrieb.

Ein Ring aus fünfzig supraleitenden, etwa 3,5 Meter hohen Magnetspulen ist das Kernstück der Anlage. Mit flüssigem Helium auf Supraleitungs-Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt, verbrauchen sie nach dem Einschalten kaum Energie. Ihre speziellen Formen sind das Ergebnis ausgefeilter Opti­mie­rungs­rech­nungen: Sie sollen einen besonders wärme­isolierenden magnetischen Käfig für das Plasma erzeugen. Um das Magnetfeld verändern zu können, ist den Stellarator-Spulen ein zweiter Satz von zwanzig flachen, ebenfalls supraleitenden Spulen überlagert.

Seit einem Jahr laufen an Wendelstein 7-X die Betriebsvorbereitungen. Nacheinander prüfen Forscher und Techniker die Funktion aller technischen Systeme. Seit Ende April waren die Magnetspulen, das Herzstück der Anlage, an der Reihe. Zwar wurden sämtliche Spulen bereits während der Fertigung einzeln getestet. Insbesondere wurde untersucht, wie sich die Spulen beim Quench verhalten – dem härtesten Test, den ein Supraleiter bestehen muss: Dabei verliert die Spule plötzlich ihre Supraleitungs-Eigenschaften und wird zu einem normalen Leiter. Mit den Tests wurde sichergestellt, dass die Spulen den hohen Belastungen unbeschadet standhalten und nach erneuter Abkühlung wieder supraleitend sind wie zuvor.

Während der Betriebsvorbereitung ging es nun um das Verhalten der Magnetspulen im montierten Verbund: Die supraleitenden Elektromagnete wurden zunächst gruppenweise unter Strom getestet. Begonnen wurde mit den flachen Spulen vom Typ A, es folgten Typ B und dann nacheinander die fünf unterschiedlichen Typen der gewundenen Stellarator-Spulen: Abgekühlt auf vier Kelvin wurden die einzelnen Spulen-Kreise zunächst bei niedriger Stromstärke von 500 Ampere untersucht und das Quench-Detektions-System eingestellt. Dann erhöhte man die Stromstärke stufenweise, je nach Spulentyp bis auf 12,8 Kiloampere. In den bis zu vierstündigen Pulsen wurde auch das Kryosystem getestet und die zahlreichen Ventile justiert, die das Kühlmittel in die unterschiedlichen Kühlkreisläufe lenken. Auch die sensiblen Stromzuführungen, die warme und tiefkalte Bereiche miteinander verbinden, wurden geprüft und eingestellt. Die Spulen mussten zudem einen simulierten Quench durchlaufen, um zu testen, ob das automatische Detektions-System anspringt. Zu registrieren und mit den Planwerten zu vergleichen waren auch die Formänderungen der Spulen und die mechanischen Spannungen in den Gehäusen, die von den Magnetkräften der Spulen hervorgerufen werden. „Alles stimmt gut mit den Berechnungen überein“, konnte Hans-Stephan Bosch, Leiter für den Wendelstein 7-X Betrieb, am 17. Juni feststellen.

Nach der erfolgreichen Prüfung in einzelnen Gruppen folgte – mit gleicher Prozedur – der Test des kompletten Spulenkranzes. Beim Einschalten des Stromes wirken nun alle siebzig Spulen mit ihren magnetischen Kräften aufeinander ein. Erst jetzt wurden alle Spulen gemeinsam bis zum späteren Sollwert von 12,8 Kiloampere mit Strom beschickt. „Der Spulenverbund hat sämtliche technischen Prüfungen bestanden“, fasste Bosch am 6. Juli die umfangreichen Testreihen zusammen. „Damit ist die Funktionsfähigkeit der zentralen Anlagenkomponente sichergestellt. Wir können nun den nächsten großen Schritt in Angriff nehmen, das Ausmessen der magnetischen Flächen.“ Dabei wird geprüft, ob die Spulen den magnetischen Käfig für das Plasma in der gewünschten Form aufbauen. Noch in diesem Jahr soll Wendelstein 7-X das erste Plasma erzeugen. (Quellen: IPP / vip-journal.de)

Link: Wendelstein 7-X, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Greifswald

Weitere Beiträge: USA wei­ter bei Wendel­stein-7-X dabei, energyviews.de, 15. Mai 2015 • Stapellauf für Wendelstein-7-X, energyviews.de, 23. Mai 2014

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