WENDELSTEIN 7-X

Durchmesser der Anlage (über alles):		16 Meter
Höhe (über alles):		5 Meter
Gewicht:		725 Tonnen
Großer Plasmaradius:		5,5 Meter
Mittlerer kleiner Plasmaradius:		0,53 Meter
Plasmavolumen:		30 Kubikmeter
Plasmagewicht:		0,005 – 0,03 Gramm
Anzahl der modularen Spulen:		50
Anzahl der ebenen Zusatzspulen:		20
Magnetfeld (Achse):		3 Tesla
Rotationstransformation (Achse):		0,84
Verscherung:		0,1 – 0,14
Energieeinschlusszeit:		0,15
Heizleistung (erste Ausbaustufe):		15 Megawatt
Pulsdauer:		Dauerbetrieb für
		30 Minuten mit
		Elektronenzyklotron-
		Heizung

Der Experiment­vorschlag für den Stellarator WENDELSTEIN 7-X wurde 1990 formuliert und den zuständigen europäischen Gremien vorgelegt. Die endgültige positive Entscheidung zur ersten Phase des Genehmigungs­verfahrens, in der die wissen­schaftlichen Pläne für das Experiment und seine Einbettung in das europäische Fusions­programm begutachtet wurden, erging im Mai 1994. Die zweite Phase des Genehmigungs­verfahrens – Begutachtung der Technik sowie der Kosten- und Personal­schätzung – erfolgte 1995. Im Sommer 1996 begann der Aufbau des Projekt­teams und die Detaillierung des Maschinen­entwurfs.

WENDELSTEIN 7-X wurde in dem 1994 gegründeten IPP-Teil­institut in Greifswald aufgebaut, dessen neue Gebäude 1999 eingeweiht wurden. Ab 2004 waren dort rund 300 Mitarbeiter mit dem Aufbau und dem Betrieb von WENDELSTEIN 7-X beschäftigt. Der Zeit­plan für die Montage der Anlage war durch die Fertigungs­geschwindigkeit der supra­leitenden Magnet­spulen bestimmt und sah die Inbetrieb­nahme zunächst für das Jahr 2007 vor. Tatsächlich wurde die Fusions­anlage am 10. Dezember 2015 mit einem ersten Helium-Plasma in Betrieb genommen.

Das Experiment WENDELSTEIN 7-X sollte die prinzipielle Kraftwerks­eignung des Advanced Stellarator demonstrieren und so Konzept­verbesserungen für ein künftiges Stellarator­kraftwerk aufzeigen. Da Stellaratoren zum Einschluss des Plasmas keinen zirkulierenden Strom im Plasma benötigen, ist ihr Bauprinzip für den Dauer­betrieb eines Kraft­werks besonders geeignet. Ziel fort­laufender Experimente ist es, ein heißes und dichtes Stellarator­plasma hinreichend lange einzuschließen, so dass die gewonnenen Ergebnisse sichere Rück­schlüsse auf ein Kraftwerks­plasma zulassen.

Dazu gehört im Einzelnen, ein heißes und dichtes Wasserstoff­plasma mit Temperaturen von rund 100 Millionen Grad und Beta-Werten von 5 Prozent in einem optimierten Magnet­feld einzuschließen, verschiedene Heiz­methoden anzuwenden, stabilen Plasma­einschluss zu zeigen sowie die Plasma-Wand-Wechsel­wirkung zu studieren und die Entstehung und den Abtransport von Verunreinigungen über längere Zeit zu kontrollieren.

Die Magnetfeld­struktur des WENDELSTEIN 7-X ist eine 5-periodische Helias Konfiguration (Helias = Helical Advanced Stellarator). Sie zeichnet sich unter anderem durch eine helikal gewundene magnetische Achse aus. Umfangreiche theoretische Untersuchungen haben die besondere Kraftwerks­eignung dieser Konfiguration gezeigt: Die Lage der Plasmasäule im Gefäß ändert sich mit steigendem Plasma­druck nur sehr wenig, die Stabilitäts­grenze lässt mittlere Beta-Werte von 4,3 Prozent erwarten. Auch die schnellen Helium­kerne, die in einem brennenden Plasma für die Selbst­heizung sorgen, werden in einer Helias-Konfiguration gut einge­schlossen. In WENDELSTEIN 7-X, der mit einem Plasma aus normalem Wasser­stoff und Deuterium – also ohne Tritium – arbeiten wird, soll das Verhalten der Heliumkerne durch eingeschossene schnelle Wasserstoff-Teilchen mit Energien von 60 Kilo­elektronen­volt simuliert werden.

Eingehende Untersuchungen befassten sich mit den Verlusten des Plasmas aufgrund der Coulomb-Wechsel­wirkung der geladenen Plasma­teilchen bei großen freien Weglängen. Dieser sogenannte neoklassische Verlust, der durch die Stöße zwischen den Plasma­teilchen zustande kommt, ist in einem klassischen Stellarator so hoch, dass eine Zündung unmöglich wäre. In einer Helias-Konfiguration gelingt es jedoch, die Teilchen­bahnen so zu gestalten, dass der neoklassische Verlust auf ein für die Zündung tolerables Maß vermindert werden kann. Besonderer Wert bei diesen Unter­suchungen wurde auch auf die Eliminierung des Bootstrap-Stroms gelegt. Dieser Ring­strom, der sich aus der inneren Energie des Plasmas speist, könnte das Magnet­feld auf ungünstige Weise verändern. In der für WENDELSTEIN 7-X gewählten Konfiguration ist er jedoch auf unwesentliche Werte reduziert.

Ein wichtiges Thema für WENDELSTEIN 7-X ist die Plasma-Wand-Wechsel­wirkung und die Entwicklung eines Divertors. Dabei besitzt die optimierte magnetische Konfiguration Eigen­schaften eines „natürlichen” Divertors: Eng begrenzte magnetische Flussbündel winden sich um das Einschluss­gebiet und laufen in Richtung der Gefäß­wand. Anders als beim Tokamak sind keine zusätzlichen Magnetßfelder nötig. Über Diffusions­vorgänge laufen Teilchen und Energie in diese Fluss­bündel und strömen parallel zum Magnet­feld auf fern vom heißen Plasma angebrachte Divertor­platten. Hier werden die geladenen Teilchen neutralisiert und mithilfe von Vakuum­pumpen aus dem Plasmaraum abgesaugt. Durch geeignete Regelung der Gas­dichte vor den Prall­platten wird die Produktion von Verunreinigungen verringert und gleich­zeitig deren Rück­fluss in das Plasma einge­schränkt. In detaillierten Berechnungen der Teilchen­bahnen und Monte-Carlo-Rechnungen für die Neutral­teilchen wurden unter Berücksichtigung der komplizierten Geometrie Größe und Lage der Prall­platten, Leit­platten und Kryopumpen für die 10 Divertor­einheiten von WENDELSTEIN 7-X bestimmt. Um die maximale Flächen­belastung von 10 Megawatt pro Quadratmeter nicht zu über­schreiten, kann das Magnet­feld durch zusätzliche Regel­spulen im Rand­bereich räumlich und zeitlich verändert werden.

Das modular aufgebaute Spulen­system setzt die bereits beim Vorgänger WENDELSTEIN 7-AS mit Erfolg verwirklichte Linie fort. Es besteht aus 50 nichtebenen Einzel­spulen, die in fünf gleichen Modulen zu je 10 Spulen angeordnet sind. Da jeweils 2 Spulen eines Moduls gleich geformt, aber umgedreht angeordnet sind, gibt es insgesamt nur fünf geometrisch verschiedene Spulen. Dieser Spulen­satz alleine wäre ausreichend, um das Plasma einzu­schließen. Um die Flexibilität des Experiments zu erhöhen und charakte­ristische Größen des Magnet­felds um bis zu 10‰ verändern zu können, wird den nichtebenen Spulen ein zweiter Satz von 20 ebenen Spulen über­lagert. Die Abmessungen der Anlage sind in der Tabelle zusammen­gestellt.

Wegen der angestrebten langen Pulszeiten wird das Magnet­feld von WENDELSTEIN 7-X – anders als beim Vorgänger – mit Hilfe von supra­leitenden Spulen erzeugt. Diese Spulen sind das technische Kern­stück der Anlage. Mit ihrer Hilfe soll WENDELSTEIN 7-X die wesentliche Stellarator­eigenschaft erreichen, den Dauerbetrieb. Wegen des relativ geringen Magnet­feldes von 6 Tesla auf den Spulen kann man für den Bau der WENDELSTEIN-Spulen auf supra­leitende Standard-Drähte aus Niob-Titan zurück­greifen. Um den supra­leitenden Zustand im Strom­leiter aufrecht­zuerhalten, muss er mit flüssigem Helium auf etwa 4 Kelvin nahe dem absoluten Null­punkt abgekühlt werden.

Alle siebzig Einzelspulen des Magnet­systems wurden im französischen Forschungs­institut der CEA in Saclay einer Funktions­prüfung bei Betriebs­bedingungen unter­zogen, bevor sie in die Experimentier­anlage eingebaut wurden. Dort sind sie an einer massiven Stütz­struktur befestigt, damit die exakte Form des Magnet­felds auch bei den hohen elektro­magnetischen Kräften zwischen den Spulen erhalten bleibt.

Die tiefe Betriebs­temperatur der supra­leitenden Spulen erfordert eine wirksame Wärme­isolation gegenüber allen Bauteilen der Anlage, die sich auf Umgebungs­temperatur befinden. Das gesamte Spulen­system ist daher in einem Kryostaten angeordnet, wo es durch eine Vakuum­isolation und gekühlte Zwischen­flächen wärme­isoliert wird. Die innere Wand des Kryostaten ist die Wand des Plasma­gefäßes. Es ist mit mehr als 300 Öffnungen für Beobachtungs- und Heiz­stutzen ausgestattet, die thermisch isoliert durch den kalten Spulen­bereich hindurch­geführt werden.

Das Magnetfeld des Spulen­systems von WENDELSTEIN 7-X speichert beim Betrieb des Experiments große Energie­mengen von rund 600 Megajoule. Zum Schutz der Spulen wird daher ein zuverlässiges Abschalt­system aufgebaut, das bei einer Störung der Strom­versorgung oder dem plötzlichen Zusammen­bruch des supra­leitenden Zustandes diese magnetische Energie kontrolliert abbaut, indem es den Strom über schnelle Schalter zu Wider­ständen umleitet.

Die Aufheizung des Plasmas geschieht im Dauer­betrieb über Mikrowellen­strahlen mit einer Frequenz von 140 Gigahertz und einer Leistung von 10 Megawatt. Die Mikro­wellen werden in speziellen Sende­röhren, sogenannten Gyrotrons, erzeugt, über Metall­spiegel umgelenkt und in das Plasma fokussiert. Dort heizen sie bevorzugt jene Elektronen, welche im Magnet­feld gerade in Resonanz zur einge­strahlten Frequenz rotieren.

Die Ionen des Plasmas können zusätzlich mit Radio­wellen einer Leistung von 4 Megawatt aufgeheizt werden. Durch die Neutral­teilchen­heizung, die energie­reiche Wasserstoff­atome einer Leistung bis zu 20 Megawatt in das Plasma hinein­schießt, können die Temperatur und die Dichte des Plasmas weiter erhöht werden.

Zur Absicherung des technischen Entwurfs von WENDELSTEIN 7-X dienten umfang­reiche Forschungs­arbeiten. Zunächst wurde der Supra­leiter in mehreren Schritten entwickelt und verbessert. Der Leiter besteht aus 243 Einzel­drähten, die in mehreren Stufen zu einem Seil gewunden werden. Diese Verseilung verhindert, dass sich die Einzel­drähte durch die hohen Lorentz­kräfte im Magnet­feld gegen­einander bewegen können. Zur zusätzlichen Verstärkung wird das Seil in eine Aluminium­hülle einge­schlossen. Der Hohlraum zwischen den Drähten des Seils und der Aluminium­hülle wird als Kühl­kanal für das flüssige Helium genutzt. Die Legierung der Aluminium­hülle wurde so ausgewählt, dass der Leiter im weichen Ausgangs­zustand gut gewickelt und danach durch Erwärmen auf 170 Grad Celsius ausgehärtet werden kann. In diesem versteiften Zustand kann er den starken Kräften beim Betrieb der Maschine stand­halten. Aus den Prototyp­leitern wurden schließlich Zylinder­spulen gewickelt und im Teststand STAR des Forschungs­zentrums Karlsruhe elektro­magnetisch und hydraulisch bei den späteren Betriebs­werten geprüft.

Zur weiteren Vorbereitung wurden eine supra­leitende Prototyp­spule in Original­größe und ein Teilstück des Kryostaten gefertigt, um die Herstell­barkeit und die Funktion der Bauteile bei Betriebs­bedingungen nach­zuweisen. Beim Bau der Prototyp­spule wie auch der späteren Serien­spulen kommt es darauf an, die Sollform innerhalb weniger Millimeter einzuhalten und den Strom­leiter so zu versteifen, dass er den starken Lorentz­kräften standhält. Bei der Fertigung müssen die einzelnen Leiter­windungen daher sehr präzise in ihre Wickel­form gepresst werden. Zur elektrischen Isolation wird der Leiter wie auch das gesamte Wickel­paket mit Bandagen aus Glasfaser umwunden und zur Versteifung mit Epoxidharz imprägniert. Um das Wickel­paket zusätzlich zu verstärken, wird es in ein Stahl­gehäuse einge­schweißt. Dabei konnte der Prototyp sowohl für die Spulen­wicklung wie auch für die Gehäuse­schalen eine Maß­genauigkeit von einem Promille erreichen. Der Zwischen­raum zwischen den Spulen­wicklungen und dem Stahl­gehäuse wird mit Quarzsand und Epoxid­harz ausgefüllt, so dass eine gleich­mäßige Kraft­übertragung vom Wickel­paket auf das Gehäuse gewähr­leistet ist.

Die Prototypspule wurde 1998 fertig­gestellt und anschließend im Forschungs­zentrum Karlsruhe in der Spulen­testanlage TOSKA geprüft. Dabei wurden bei Leiter­strömen bis zu 19 Kiloampere die geforderten elektrischen Eigen­schaften nach­gewiesen. Um die elektro­magnetischen Belastungen der Spulen während des späteren Betriebs von WENDELSTEIN 7-X zu simulieren, wurde die Prototyp­spule in TOSKA dem starken Magnet­feld der großen europäischen LCT-Spule (Large Coil Task) ausgesetzt. Auch unter höchsten Belastungen von 10,6 Meganewton blieben die Verformungen der Spule wie zuvor berechnet – im elastischen Bereich.

Das Kryostat-Stück, ein Achtel des Stellarators in Original­größe, sollte zeigen, dass das kompliziert geformte Plasma­gefäß entsprechend den engen Maß­toleranzen gefertigt, der Zusammen­bau des Kryostaten wie geplant ausgeführt und eine ausreichend gute Wärme­isolation der supra­kalten Teile erreicht werden kann. Dazu wurden Außen- und Innen­wand sowie Kühl­leitungen, Kälte­schild, Super­isolation und die Stutzen in Original­ausführung gefertigt; die Spulen wurden durch Platz­halter ersetzt. Bereits beim Zusammen­bau der Komponenten konnten wichtige Erkenntnisse für die Detail­konstruktion von WENDELSTEIN 7-X gewonnen werden. Die Messungen der Wärme­isolation beim abschließenden Test mit flüssigem Helium zeigten, dass die Vorgaben für den Wärme­einfall auf die tiefkalten Teile von WENDELSTEIN 7-X erhöht und die Kühlung der Spulen verbessert werden muss.

Entwicklungs­bedarf bestand auch bei den Mikrowellen­sendern zur Aufheizung der Elektronen. Diese Gyrotrons wurden bisher industriell nur für Heiz­pulse von wenigen Sekunden und Leistungen von einigen 100 Kilowatt gebaut. Das Plasma von WENDELSTEIN 7-X soll jedoch kontinuierlich durch zehn Mikrowellen­sender mit je 1 Megawatt Ausgangs­leistung geheizt werden. Dazu ist der Aufbau der Gyrotrons so zu verändern, dass die Ausgangs­leistung bei verbessertem Wirkungs­grad erhöht und die Kühlung optimiert ist. Das Gyrotron verlassen die Mikro­wellen durch Diamant­fenster; sie werden dann durch eine Viel­zahl von gekühlten Umlenk­spiegeln zum Plasma über­tragen. Das gesamte Mikrowellen­system wird durch das Forschungs­zentrum Karlsruhe beigestellt. Das Forschungs­zentrum koordinierte die Arbeiten, die im Verbund mit dem IPP in Garching und Greifswald, dem Institut für Plasmaforschung der Universität Stuttgart, dem Fusionslaboratorium der Polytechnischen Hochschule in Lausanne und der europäischen Industrie ausgeführt wurden. Im Jahr 2001 lieferte ein erster Gyrotron-Prototyp bei einer Frequenz von 140 Gigahertz mit gutem Wirkungs­grad eine Leistung von einem Megawatt für mehrere Sekunden. Bei geringeren Leistungen konnten die Heiz­pulse bis auf mehrere Minuten Dauer ausgedehnt werden

Das Stellaratorkraftwerk

Durchmesser der Anlage (über alles):		50 Meter
Höhe (über alles):		15 Meter
Großer Plasmaradius:		18 Meter
Mittlerer kleiner Plasmaradius:		2,1 Meter
Plasmavolumen:		1600 Kubikmeter
Plasmagewicht:		0,2 – 1,5 Gramm
Anzahl der modularen Spulen:		40
Plasmastrom:		0
Magnetfeld (Achse):		5 Tesla
Maximalfeld (Spule):		10 Tesla
Neutronenwandbelastung:		≤ 1 Megawatt pro m 2
Pulsdauer:		Dauerbetrieb
Startheizung:		50 – 80 Megawatt
Fusionsleistung:		3000 Megawatt

Die seit 1992 laufenden Studien zu einem Stellarator­kraftwerk nach dem Helias-Prinzip zeigen, dass dieses Konzept eine echte Alternative zu einem Tokamak­kraftwerk sein könnte. „Helias” steht dabei für „Helical Advanced Stellarator”. Der besondere Vorteil des Stellarators liegt in seiner Fähigkeit zum Dauer­betrieb und dem Fehlen eines toroidalen Plasma-stromes. Dadurch entfallen sowohl die Einrichtungen zum Erzeugen und Regeln dieses Stromes als auch die Gefahr einer Strom­abbruch­instabilität.

Helias-Konfigurationen – wie das gegen­wärtig im IPP-Teilinstiut Greifswald entstehende Stellarator­experiment WENDELSTEIN 7-X zeichnen sich unter anderem durch eine helikal gewundene magnetische Achse aus. Das Hoch­rechnen der WENDELSTEIN-Konfiguration auf Kraftwerks­größe führt zu einem großen Plasma­radius von 22 Metern und einem mittleren kleinen Plasma­radius von 1,8 Metern. Modifiziert man die Konfiguration von WENDELSTEIN 7-X etwas und geht von fünf auf 4 Feld­perioden zurück, dann wird das Kraftwerk mit 18 Metern für den großen Radius und einem kleinen Plasma­radius von im Mittel 2,1 Metern kompakter und benötigt nur 40 anstelle von 50 modulare Spulen. Mit einem Magnet­feld von 5 Tesla im Plasma und 10 Tesla auf den Spulen ist das Feld klein genug, um die technisch einfach herzustellenden Niob-Titan-Supra­leiter verwenden zu können. Die in dem Spulen­system gespeicherte Magnetfeld­energie, die auch ein ungefähres Maß für die Kosten des Spulen­systems ist, liegt mit 100 Gigajoule etwas unterhalb der Magnetfeld­energie eines Tokamak­kraftwerks.

Wegen der relativ großen Fläche der ersten Wand von 2600 Quadrat­metern liegt die mittlere Belastung durch Neutronen unter einem Megawatt pro Quadrat­meter, was sich günstig auf die Lebens­dauer der Wand­verkleidung auswirkt. Eine detailliertere Studie zu den technischen Komponenten wie Spulen­system, Blanket und Abschirmung soll zeigen, dass der Helias­reaktor eine konkurrenz­fähige Alternative zu anderen Kraftwerks­konzepten ist.

Nach jetzigem Kenntnisstand sind die plasma­physikalischen Bedingungen für die Zündung eines Helias­kraftwerks erfüllbar. Die theoretische Stabilitäts­grenze für den Plasma­druck liegt hoch genug, so dass bei den angestrebten Plasma­temperaturen und -dichten ein magneto­hydrodynamisch stabiler Betrieb zu erwarten ist. Numerische Rechnungen zeigen, dass die neoklassischen, d. h. stoßbestimmten Transport­verluste deutlich niedriger liegen als bei herkömmlichen Stellaratoren, so dass sie die Zündung nicht beeinträchtigen. Für die anomalen Transport­verluste liefern die gegen­wärtigen Stellarator­experimente mehrere Skalierungs­gesetze, die in der Extrapolation zum Kraftwerk auf unter­schiedliche Ergebnisse führen. Skalierungs­gesetze, die allein auf Messungen in WENDELSTEIN 7-AS und dem japanischen Experiment LHD beruhen, bestätigen in der Hoch­rechnung auf den Helias­reaktor die Zündung. Ein Verbesserungs­faktor – wie zum Beispiel im H-Regime der Tokamaks – ist nicht notwendig. Wegen der speziellen Eigen­schaften der Helias­konfiguration wird sogar noch eine Verminderung des anomalen Transports erwartet. Gewissheit über das Auftreten dieses Effektes kann aber nur das Experiment WENDELSTEIN 7-X liefern.

Quellen
[1] Max-Planck-Institut für Plasmaphysik – IPP Greifswald und Garching

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