Kernenergie 11.06.2004, 18:31 Uhr

Die Kraft der Sonne nachahmen

die Forschungsanlage Wendelstein 7-X. Firmen in ganz Europa stellen die einzelnen Komponenten her. Die ersten Bauteile sind inzwischen nach Greifswald ausgeliefert worden: zwei riesige Magnetspulen und der erste Teil des Plasmagefäßes.

Langsam schiebt und dreht der Spezialgreifer die sechs Tonnen schwere Magnetspule über ein eigenwillig geformtes Stahlgefäß. Außer Steuerkommandos ist in der Montagehalle nur das Quietschen des Krans zu hören. Unter den gespannten Blicken der Kollegen fädelt das Montageteam die große, 6 t schwere Spule Millimeter um Millimeter über einen gerade fingerbreiten Spalt auf das Gefäß. Nach drei Stunden ist der erste Montagetest mit Originalbauteilen erfolgreich beendet: „Wir wissen jetzt, dass Technologie und Werkzeuge funktionieren und das Personal gut trainiert ist“, stellt Dr. Lutz Wegener, der Leiter der Abteilung „Montage“, befriedigt fest.
Die seltsam geformte Spule und das ebenso futuristisch anmutende Gefäßteil sind die ersten Komponenten des Fusionsexperiments Wendelstein 7-X, die in Greifswald angekommen sind. Hier, mehr als 800 km vom Mutterinstitut in Garching bei München entfernt, hat das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) im Zuge des „Forschungsaufbaus Ost“ 1994 ein Teilinstitut gegründet.
Die beiden Institutsteile verfolgen das gleiche Ziel: die Energieproduktion der Sonne auf der Erde nachzuahmen. Ein Fusionskraftwerk soll in absehbarer Zukunft aus der Verschmelzung von Atomkernen Strom erzeugen. Weil das Fusionsfeuer erst bei einer Temperatur von über 100 Mio. °C zündet, darf der Brennstoff – ein dünnes Wasserstoffplasma – nicht in Kontakt mit den Wänden der Brennkammer kommen: Von Magnetfeldern gehalten, schwebt es nahezu berührungsfrei im Inneren der Vakuumkammer.
Die beiden konkurrierenden Bauarten für den magnetischen Käfig untersucht das IPP seit 1994 räumlich getrennt: in Garching läuft der Tokamak ASDEX Upgrade, in Greifswald wird der Stellarator Wendelstein 7-X aufgebaut.
Froh über den gelungenen Montagetest muss Professor Friedrich Wagner, ehemaliger Tokamak-Physiker und jetziger Leiter der „Unternehmung Wendelstein 7-X“, dennoch zugeben: „Noch haben die Tokamaks die Nase vorn.“
Der bisherige Rekordhalter, das europäische Gemeinschaftsexperiment JET, und der internationale Testreaktor ITER, über dessen Bau in diesen Tagen entschieden werden soll, gehören in diese Tokamak-Klasse. Nur einem Tokamak traut man heute ein brennendes Plasma zu und, wie mit ITER angestrebt, eine Fusionsleistung von 500 MW.
„Aber“, so Wagner, „das Stellarator-Prinzip lässt gerade dort Stärken erwarten, wo die Tokamaks Schwächen zeigen.“ Tokamaks erzeugen nämlich einen Teil des Magnetfeldes durch einen im Plasma fließenden Strom, der dort pulsweise per Transformator getrieben wird. Tokamaks können deshalb ohne Zusatzeinrichtungen nur in Pulsen arbeiten.
Stellaratoren dagegen sind für den Dauerbetrieb geeignet: Ihr magnetischer Käfig entsteht ohne Plasmastrom allein durch Magnetspulen außerhalb des Plasmabereichs.
Das sind allerdings Spulen besonderer Art: Was den Fädelversuch in Greifswald so heikel machte – die bizarre Gestalt der Bauteile – ist das Ergebnis ausgefeilter Optimierungen. Professor Wagner: „Erstmals wird jetzt die Qualität von Plasmagleichgewicht und -einschluss der eines Tokamak ebenbürtig. Wendelstein 7-X soll zeigen, dass auch Stellaratoren kraftwerkstauglich sind.“
Und mit 30 min. dauernden Entladungen soll der Wendelstein das wesentliche Plus der Stellaratoren vorführen: den Dauerbetrieb.
Dazu werden die Magnete aus supraleitenden Stromkabeln gewickelt statt wie bisher aus Kupferdraht. Auf tiefe Temperaturen abgekühlt, verbrauchen sie kaum Energie. „Speziell für Wendelstein 7-X haben wir ein flexibles supraleitendes Kabel aus Niob-Titan mit Aluminiumhülle entwickelt“, erläutert Dr. Manfred Wanner, der für den Bau der Komponenten verantwortlich ist: „Der große Vorteil: Im weichen Ausgangszustand kann es in Formen eingelegt und dann durch Erwärmen ausgehärtet werden.“
Im Betrieb wird der Leiter mit flüssigem Helium, das im Inneren fließt, auf Supraleitungstemperatur von 3,4 K bis nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt. Aus 60 km Kabel entstehen bei ABB in Augsburg und in Genua die 50 verschlungenen Wendelstein-Spulen. „Die Herausforderung“, so Wanner, „liegt in der geforderten hohen Genauigkeit. Um die Sollform innerhalb weniger Millimeter einzuhalten, müssen die Leiterwindungen sehr präzise in ihre Wickelform gepresst werden.“
Zur elektrischen Isolation wird der Leiter dann mit Glasfaserbändern umwunden, das gesamte Wickelpaket mit Epoxidharz versteift und in massive Stahlgehäuse eingeschweißt. Gesamtgewicht: 6 t.
Das bei dem Fädelversuch benutzte Gefäßteil wurde bereits Ende letzten Jahres von der Deggendorfer Werft und Eisenbau GmbH als erster von insgesamt 20 Sektoren der Plasmakammer nach Greifswald geliefert.
Diese 20 Sektoren, die jeweils wieder aus einer Vielzahl von schmalen Metallbändern zusammengesetzt wurden, werden zu einem verwundenen Ring verbunden, der an einen fast luftleeren Fahrradschlauch erinnert. Das komplette Plasmagefäß hat einen Durchmesser von gut 12 m und folgt mit seiner Form dem gewundenen Plasmaschlauch in seinem Inneren.
„Auch hier macht die komplexe Gestalt bei hoher Maßhaltigkeit die Herstellung zu einer anspruchsvollen Aufgabe“, erläutert Wanner, „stellenweise sind die Toleranzen nicht größer als 3 mm.“
Auf das Plasmagefäß werden dann die 50 verwundenen und zusätzlich noch 20 plane, auf Supraleitungstemperatur abgekühlte Spulen aufgefädelt. Dieses gesamte System wird später mit einer Außenhülle von 16 m Durchmesser umschlossen, der Raum zwischen dem Plasmagefäß und der äußeren Ummantelung wird luftleer gepumpt.
Damit aber das Plasma beobachtet und geheizt werden kann, besitzen Innen- und Außengefäß zahlreiche Öffnungen: „299 war das Maximum, mehr Löcher konnten wir den Physikern nicht zugestehen“, so Wanner. Denn ebenso viele Stutzen müssen gut wärmeisoliert zwischen den Spulen hindurchgeführt werden, um die Öffnungen im Plasmagefäß vakuumdicht mit der Außenhülle zu verbinden.
Mit dem ersten Fädeltest haben in Greifswald jetzt die Vorbereitungsarbeiten für die Montage begonnen. Bis zur Fertigstellung von Wendelstein 7-X können die Greifswalder Studenten und Nachwuchswissenschaftler ein Hochtemperaturplasma nur an den kleineren IPP-Anlagen Wega und Vineta untersuchen.
Der für 2010 geplante Betriebsbeginn von Wendelstein 7-X hängt wesentlich von der termingerechten Fertigstellung der Bauteile ab.
Derzeit werden die Spulen und Gehäuseteile noch gefertigt und es wird Jahre dauern, bis der Wendelstein fertig ist und die letzte Spule auf das Plasmagefäß aufgefädelt ist.
„Und bei so komplexen Anlagen“, erwartet Manfred Wanner, „sind bereits die industrielle Fertigung und der Aufbau ein Experiment für sich, bei dem wir in zahlreichen Sparten Neuland betreten. ISABELLA MILCH

  • Isabella Milch

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