Fusionsanlage Wendelstein 7-X Aufrüstung der Fusionsanlage Greifswald läuft planmäßig

Die Rückseite einer Divertor-Platte. Stählerne Rohre führen das Kühlwasser in die Kühlkanäle in der Kupfer-Chrom-Zirkon-Platte.
Die Rückseite einer Divertor-Platte. Stählerne Rohre führen das Kühlwasser in die Kühlkanäle in der Kupfer-Chrom-Zirkon-Platte.

Damit sich die Fusionsanlage Wendelstein 7-x Ende 2021 an einen verlängerten Plasmabetrieb mit extremen Plasmaenergien und Heizleistungen herantasten kann, ist ein Upgrade der Innenverkleidung mit komplexen, wassergekühlten Elementen notwendig. Das Upgrade dauert bis ins nächste Jahr.

Der zum Nachweis der Tauglichkeit sogenannter Stellarator-Fusionsanlagen für den Kraftwerksdauerbetrieb errichtete Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald bekommt sein nächstes Upgrade. Während bislang maximal 100 Sekunden langer Pulse erreichte Wendelstein 7-X mit Heizleistungen von 2 Megawatt Plasmaenergien von 200 Megajoule. In Zukunft sollen die Pulse auf 30 Minuten ausgedehnt und Plasmaenergien bis zu einem Gigajoule erreicht werden. Dafür ist allerdings eine anspruchsvolle Wasserkühlung des Plasmagefäßes mit extrem komplexen Kühlelementen, sogenannten Divertoren notwendig.

Die Divertoren müssen in Zukunft, ähnlich den Hitzeschutzkacheln eines Spaceshuttle beim Eintritt in die Erdatmosphäre, bis zu 10 Megawatt pro Quadratmeter aushalten. Sie werden nach dem Einbau in zehn Doppel-Streifen der Kontur des Plasmarandes an der inneren Wand des Gefäßes folgen und schützen genau die Wandbereiche, auf die Teilchen aus dem Plasma magnetisch gelenkt werden. In der Mitte der Doppelstreifen liegt je ein Spalt, hinter dem eine Pumpe auftreffende Plasma- und Verunreinigungsteilchen entfernt, womit sich die Reinheit und Dichte des Plasmas steuern lässt.

Damit die hitzebeständigen Ziegel aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff der Belastung standhalten können, werden sie auf wassergekühlte Platten aus einer Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung aufgeschweißt, in denen ein Kühlmittel die Wärme durch Stahlleitungen abtransportiert. Die für die Verkleidung notwendigen 890 Elemente bestehen insgesamt aus fast einer halben Million Einzelteilen.

Diese wurden vom Integrierten Technikzentrum (ITZ) und der Arbeitsgruppe “Komponenten im Plasmagefäß“ am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik IPP in Garching mit Industriepartnern entwickelt, gefertigt und geprüft. „Besonders herausfordernd war die komplexe Geometrie der Bauteile bei der verlangten hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit“, erklärt IPP-Ingenieur Dr. Jean Boscary, der die Herstellung und das Zusammenfügen des „großen Puzzles“ leitete: „Ein Wasserleck sollte es später in Wendelstein 7-X nicht geben“.

Bislang größtes Hitzeschutzprojekt der Fusionsforschung

Entsprechend umfangreich waren bereits die Vorarbeiten: 2003 wurde der Entwicklungs- und Fertigungsvertrag für die Divertor-Elemente mit einem Industriebetrieb geschlossen. Nach vier Vorserien und mehr als 60 Prototypen konnte 2009 die fünfjährige Serienproduktion beginnen. Bis zu einem fertigen Divertor-Element waren 82 Herstellungsschritte und 44 Tests zu durchlaufen. So wurde die Ober­fläche jedes einzelnen der 16.000 Kohlenstoff-Ziegel dreidimensional in Form gefräst – bei Toleranzen von teilweise nur 0,1 Millimeter, damit später keine hervorstehenden Kanten überhitzen können. Die Verbindungstechnik zwischen Kohlenstoff und Kupferlegierung wurde eigens für Wendelstein 7-X entwickelt. Im IPP in Garching wurden die Divertor-Elemente dann auf stählernen Rahmen zu Platten zusammengefügt. Kühlrohre und Kühlwasserverteiler wurden mit einer speziellen, im ITZ entwickelten Schweißtechnik verbunden: „Unter den 2000 Schweißnähten konnten die anschließenden Tests gerade mal zwei undichte Nähte entdecken“, sagt Dr. Boscary.

In Greifswald wurden für den bevorstehenden Einbau der Bauteile inzwischen 4,5 Kilometer Rohrverbindungen verlegt. Jetzt beginnt der Einbau der Leitungen, die die letzten Zentimeter zwischen Gefäßwand und Divertor-Platten überbrücken. Dieser wurde zuvor im Eins-zu-Eins-Modell geübt, „quasi eine doppelte Montage“ so Montageleiter Dr. Lutz Wegener, der die Verbindungstechnik je nach bestehender Herausforderung vor Ort auswählte. „Geschweißt oder geschraubt – die Anschlüsse sollten für die nächsten zwanzig Jahre dicht bleiben“, sagt Dr. Wegener. Im Vergleich zu diesen Vorarbeiten sollte die eigentliche Divertor-Montage einfacher sein.

Geplant ist, den Plasmabetrieb nach erfolgreichem Upgrade Ende 2021 zunächst mit geringer Wasserkühlung, kleiner Heizleistung und kurzen Plasmapulsen zu beginnen und dann sukzessive zu steigern.