Der 1400-t-Hub war nur der Anfang: Jetzt kommt ITERs größte Schweißaufgabe
Sechs ITER-Module stehen. Nun müssen zwölf Roboter neun Sektoren zu einem Vakuumbehälter verschweißen – ohne den Stahlring zu verziehen.
Das Sektormodul nähert sich sichtbar dem Rand der Tokamak-Grube. Die Drehung hat begonnen, damit das Modul in der richtigen Ausrichtung in die Grube gelangt.
Foto: Iter
Fast 1400 t hingen an den Kränen der ITER-Montagehalle. Rund 30 Stunden dauerte es, das sechste von neun Sektormodulen über eine Betonwand und hinunter in den Montageschacht zu bewegen. Seit dem 28. Juli steht es an seinem vorgesehenen Platz. Zwei Drittel des ringförmigen Tokamaks sind damit montiert.
Das eigentliche Sektormodul wiegt rund 1100 t. Zur schwebenden Last gehörten außerdem die Traverse und weitere Hebevorrichtungen. Nach Angaben der ITER-Organisation erfolgte der Hub fast sechs Monate früher als ursprünglich geplant.
Spektakulär war der Schwerlasthub dennoch nur die Vorbereitung. Aus den neun einzelnen Segmenten muss ein geschlossener, vakuumdichter Stahlbehälter entstehen. Dafür steht dem Projekt eine rund 30 Monate dauernde Schweißkampagne bevor.
Zwölf Roboter sollen gleichzeitig arbeiten. Mehr als 10 t Schweißzusatz werden benötigt. Vor allem aber müssen die Verantwortlichen verhindern, dass sich der rund 19 m große Stahlring beim Schweißen unkontrolliert verzieht.
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Aus neun Segmenten entsteht die Plasmakammer
Der Vakuumbehälter bildet die Kammer, in der später das Fusionsplasma eingeschlossen werden soll. Er besteht aus neun jeweils 40° umfassenden Sektoren. Fünf davon kommen aus Europa, vier aus Südkorea.
Vor dem Einbau wird jeder Vakuumbehältersektor mit thermischen Abschirmungen und zwei D-förmigen Toroidalfeldspulen zu einem Sektormodul verbunden. Die jeweils rund 310 t schweren supraleitenden Spulen sollen später das Magnetfeld erzeugen, das das Plasma von der Behälterwand fernhält.
Sind alle neun Module montiert, soll der Vakuumbehälter rund 19,4 m Durchmesser und 11,4 m Höhe erreichen. Seine Masse beträgt etwa 5200 t. Die doppelwandige Konstruktion besteht aus einem speziell für ITER gefertigten austenitischen Edelstahl.
Der Behälter muss nicht nur das Hochvakuum aufnehmen. Er bildet zugleich eine sicherheitsrelevante Barriere, schirmt Strahlung ab und trägt die Einbauten im Inneren der Maschine.
Zwischen den einzelnen Sektoren bleiben nach dem Einbau zunächst umlaufende Lücken. In diese sogenannten Field Joints werden an die tatsächliche Geometrie angepasste Zwischenbleche eingesetzt. Anschließend müssen die Außen- und Innenwände der benachbarten Sektoren miteinander verschweißt werden.
Jeder dieser Verbindungsbereiche ist nach aktuellen ITER-Angaben rund 35 m lang. Die Schweißverbindungen erreichen etwa 60 mm Dicke.
ITERs Schweißaufgabe in Zahlen
- 9 Sektoren bilden den Vakuumbehälter.
- Rund 35 m lang ist jeder Verbindungsbereich.
- Etwa 60 mm dick sind die Schweißverbindungen.
- 12 Roboter sollen gleichzeitig arbeiten.
- Mehr als 10 t Schweißzusatz werden benötigt.
- Rund 180 Fachkräfte sind für die Kampagne vorgesehen.
- Etwa 30 Monate soll das Verschweißen dauern.
- 24 Stunden täglich soll an sechs Tagen pro Woche gearbeitet werden.
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Warum ITER seinen Montageplan geändert hat
Ursprünglich sollten jeweils drei Vakuumbehältersektoren zu einer Baugruppe verschweißt werden. Aus drei solchen „Triplets“ wäre anschließend der geschlossene Ring entstanden. Von diesem Konzept ist ITER inzwischen abgerückt.
Der Grund ist die Schweißschrumpfung. Beim Schweißen werden Zusatzwerkstoff und angrenzendes Metall stark erhitzt. Beim Abkühlen ziehen sie sich zusammen. Dadurch entstehen Spannungen und Verformungen.
Bei einer 60 mm dicken Edelstahlverbindung sind diese Effekte erheblich. Bereits geringe Abweichungen können dazu führen, dass angrenzende Bauteile nicht mehr innerhalb der vorgesehenen Toleranzen liegen.
Nach Einschätzung der ITER-Verantwortlichen hätte die Triplet-Methode zu schwer kontrollierbaren Formänderungen führen können. Stattdessen werden nun zunächst alle neun Sektoren in ihre endgültige Position gebracht und auf den vorgesehenen Schwerkraftlagern abgesetzt. Erst danach sollen sie nach einem symmetrischen Ablauf zu einem vollständigen Torus verbunden werden.
Die neue Strategie soll die beim Schweißen entstehenden Verformungen möglichst gleichmäßig auf den gesamten Ring verteilen. Dafür mussten auch die Lagerung und Sicherung der einzelnen Sektoren neu geplant werden.
Solange der Behälter noch nicht geschlossen ist, stabilisieren sich die Sektoren nicht gegenseitig. Spezielle Klammern halten sie deshalb in Position. Die Konstruktion muss mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllen:
- Sie muss die tonnenschweren Sektoren gegen Kippen sichern.
- Sie muss möglichen Erdbebenlasten standhalten.
- Sie darf die beim Schweißen entstehenden Schrumpfbewegungen nicht blockieren.
- Sie muss eine präzise Vermessung und Korrektur der Position ermöglichen.
Die Entwicklung des neuen Lagerungs- und Stabilisierungskonzepts dauerte nach Angaben von ITER rund zwei Jahre.
Zwölf Roboter arbeiten an drei Stellen gleichzeitig
Für das Verschweißen des Vakuumbehälters hat ITER 2025 einen Auftrag im Wert von 180 Mio. US-$ an Westinghouse vergeben. Die Arbeiten sollen nach einem genau abgestimmten Muster rund um den Ring ablaufen.
Der vorgesehene Ablauf:
- Drei Gruppen mit jeweils vier Robotern bearbeiten gleichzeitig drei Verbindungen.
- Die Arbeitsstellen liegen auf dem Ring jeweils um 120° versetzt.
- Nach einem festgelegten Abschnitt wechseln die Teams um 40° weiter.
- Anschließend folgen die nächsten drei Verbindungen.
- Danach wird die dritte Gruppe aus drei Verbindungen bearbeitet.
- Zuerst wird die Außenwand geschlossen, anschließend die Innenwand.
Mit diesem Verfahren sollen sich Wärmeeinbringung und Schrumpfkräfte möglichst gleichmäßig über den Behälter verteilen. Der Ring soll sich nicht abschnittsweise in eine Richtung verziehen, sondern während der Arbeiten kontrolliert und möglichst symmetrisch verändern.
Insgesamt werden nach derzeitiger Planung mehr als 10 t Schweißzusatz benötigt.
Schweißverzug hat ITER bereits zurückgeworfen
Dass Maßabweichungen bei solchen Bauteilen erhebliche Folgen haben können, hat das Projekt bereits erfahren. Bei mehreren gelieferten Vakuumbehältersektoren entsprachen die späteren Verbindungsflächen nicht vollständig der vorgesehenen Geometrie.
Betroffen waren die D-förmigen Randbereiche, an denen die Sektoren im Montageschacht miteinander verschweißt werden sollen. Teilweise musste zusätzliches Metall aufgetragen werden. An anderen Stellen wurden überstehende Bereiche abgefräst. Anschließend mussten die Konturen erneut vermessen und zerstörungsfrei geprüft werden.
Bei Sektor 8 dauerte allein der maschinelle Metallauftrag an einer Seite rund drei Monate. Wegen der schwierigen Zugänglichkeit konnte nur etwa ein Viertel der Arbeiten mechanisiert ausgeführt werden. Der größere Teil erfolgte manuell. Nach dem Materialauftrag folgten Schleifen, Fräsen und weitere Kontrollen.
Auch bei der Fertigung neuer Sektoren bleibt Schweißverzug ein zentrales Thema. Nach Angaben von Fusion for Energy summieren sich die einzelnen Schweißraupen innerhalb eines europäischen Sektors auf etwa 150 km.
Bei Sektor 9 wurden während der Fertigung Mängel an einigen Verbindungen festgestellt. Teile der Konstruktion mussten daraufhin erneut geöffnet und repariert werden.
Diese Erfahrungen erklären, warum ITER die neun Segmente nicht mehr zunächst zu wenigen großen Teilbaugruppen verschweißen will. Die Verformung soll während der gesamten Kampagne messtechnisch verfolgt und kontrolliert werden.
ITER arbeitet weiterhin daran, die Schrumpfung des Vakuumbehälters möglichst genau zu modellieren. Erfahrungen kleinerer Fusionsanlagen lassen sich nach Angaben der Organisation nur eingeschränkt übertragen. Abmessungen und Materialdicken sind bei ITER erheblich größer.
Jede Verbindung muss durchleuchtet werden
Eine geometrisch passende Naht reicht nicht aus. Der Vakuumbehälter muss dicht sein und hohen mechanischen sowie thermischen Belastungen standhalten. Die Verbindungen werden deshalb während der Schweißkampagne mit Ultraschall- und Röntgenverfahren geprüft.
Für die radiografischen Prüfungen im Montageschacht ist ein mobiler Linearbeschleuniger vorgesehen. Er erzeugt die notwendige Strahlung, um die mehrere Zentimeter dicken Verbindungen zu durchleuchten.
Das Verfahren stellt hohe Anforderungen an den Strahlenschutz. Während der Aufnahmen müssen die betroffenen Bereiche abgesperrt werden.
Bei bisherigen Reparaturkontrollen an einzelnen Sektoren dauerte eine Aufnahme mit einem Röntgengenerator etwa eine Stunde. Mit dem Linearbeschleuniger könnte sich die Belichtungszeit im Montageschacht laut ITER auf rund zehn Minuten je Aufnahme verkürzen.
Die zerstörungsfreie Prüfung ist fest in den Produktionsablauf eingeplant. Sobald die eigentliche Schweißkampagne begonnen hat, soll an sechs Tagen pro Woche rund um die Uhr gearbeitet werden.
Vorgesehen sind drei Schichten mit jeweils rund 60 Westinghouse-Fachkräften. Nur für radiografische und Ultraschallprüfungen soll der laufende Schweißbetrieb unterbrochen werden.
Insgesamt veranschlagt ITER für die Kampagne etwa 30 Monate. Die Arbeiten im Rahmen des Westinghouse-Vertrags sollen 2027 zunächst mit dem Aufbau und der Vorbereitung der Anlagen beginnen. Vor dem Produktionsstart müssen Werkzeuge, Verfahren und Personal qualifiziert sein.
Noch fehlen drei Sektormodule
Mit dem jüngsten Schwerlasthub stehen sechs der neun Sektormodule im Montageschacht. Ein siebtes soll nach derzeitiger Planung noch 2026 folgen. Das letzte Modul soll 2027 eingesetzt werden. Erst danach kann der vollständige Ring verschweißt werden.
Der aktuelle Baufortschritt ist deshalb vor allem ein Montagemeilenstein. Ob aus den neun Großkomponenten eine maßhaltige und vakuumdichte Plasmakammer entsteht, entscheidet sich erst während der folgenden Schweißkampagne.
Der Hub einer fast 1400 t schweren Last lieferte eindrucksvolle Bilder. Die technisch schwierigere Arbeit beginnt, wenn zwölf Roboter neun Sektoren aus Edelstahl zu einem einzigen geschlossenen Ring verbinden sollen.
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