Nach zwei Jahrzehnten der Konstruktion, Produktion, Herstellung und Montage auf drei Kontinenten feiert das historische, multinationale Fusionsenergieprojekt ITER heute die Fertigstellung und Auslieferung seiner riesigen toroidalen Feldspulen aus Japan und Europa.
Masahito Moriyama, Japans Minister für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie, und Gilberto Pichetto Fratin, Italiens Minister für Umwelt und Energiesicherheit, werden zusammen mit Vertretern anderer ITER-Mitglieder an der Zeremonie teilnehmen.
Neunzehn riesige toroidale Feldspulen wurden nach Südfrankreich geliefert. Sie werden eine Schlüsselkomponente von ITER sein, dem experimentellen Mega-Fusionsprojekt, das mit Hilfe magnetischer Einschließung den Prozess nachahmen wird, der Sonne und Sterne mit Energie versorgt und der Erde Licht und Wärme gibt.
Ziel der Fusionsforschung ist die Entwicklung einer sicheren, ergiebigen und umweltverträglichen Energiequelle.
ITER ist eine Zusammenarbeit von mehr als 30 Partnerländern: der Europäischen Union, China, Indien, Japan, Korea, Russland und den Vereinigten Staaten. Der Großteil der ITER-Finanzierung erfolgt in Form von beigesteuerten Komponenten. Diese Vereinbarung motiviert Unternehmen wie Mitsubishi Heavy Industries, ASG Superconductors, Toshiba Energy Systems, SIMIC, CNIM und viele andere, ihr Fachwissen in den für die Fusion erforderlichen Spitzentechnologien auszubauen.
Die D-förmigen toroidalen Feldspulen werden um das Vakuumgefäß des ITER herum angeordnet, eine ringförmige Kammer, die Tokamak genannt wird. Im Inneren des Gefäßes werden leichte Atomkerne zu schwereren verschmolzen, wobei bei der Fusionsreaktion enorme Energie freigesetzt wird.
Nach zwei Jahrzehnten der Entwicklung, Produktion, Fertigung und Montage auf drei Kontinenten feiert das historische, multinationale Fusionsenergieprojekt ITER heute die Fertigstellung und Lieferung seiner riesigen toroidalen Feldspulen aus Japan und Europa. Bildnachweis: Fusion for Energy
Der Brennstoff für diese Fusionsreaktion sind zwei Formen von Wasserstoff, Deuterium und Tritium (DT). Dieser Brennstoff wird als Gas in den Tokamak eingespritzt. Indem ein elektrischer Strom durch das Gas geleitet wird, entsteht ein ionisiertes Plasma – der vierte Aggregatzustand, eine Wolke aus Atomkernen und Elektronen.
Das Plasma wird auf 150 Millionen Grad erhitzt, zehnmal heißer als der Kern der Sonne. Bei dieser Temperatur ist die Geschwindigkeit der leichten Atomkerne hoch genug, damit sie kollidieren und verschmelzen. Um dieses extrem heiße Plasma zu formen, einzuschließen und zu kontrollieren, muss der ITER-Tokamak einen unsichtbaren magnetischen Käfig erzeugen, der genau der Form des metallischen Vakuumgefäßes entspricht.
ITER verwendet Niob-Zinn und Niob-Titan als Material für seine riesigen Spulen. Wenn sie mit Strom versorgt werden, werden die Spulen zu Elektromagneten. Wenn sie mit flüssigem Helium auf -269 °C (4 Kelvin) gekühlt werden, werden sie supraleitend.
Um die erforderlichen, präzisen Magnetfelder zu erzeugen, verwendet ITER drei verschiedene Magnetanordnungen. Die achtzehn D-förmigen toroidalen Feldmagnete halten das Plasma im Inneren des Gefäßes. Die poloidalen Feldmagnete, ein gestapelter Satz von sechs Ringen, die den Tokamak horizontal umkreisen, steuern die Position und Form des Plasmas.
Im Zentrum des Tokamaks erzeugt die zylindrische zentrale Spule mithilfe eines Energieimpulses einen starken Strom im Plasma. Mit 15 Millionen Ampere wird der Plasmastrom von ITER weitaus stärker sein als alles, was in aktuellen oder früheren Tokamaks möglich war.
Zehn Spulen wurden in Europa unter der Schirmherrschaft von ITERs europäischer Agentur Fusion for Energy (F4E) hergestellt. Acht Spulen und eine Ersatzspule wurden in Japan unter der Leitung von ITER Japan, einem Teil des National Institutes for Quantum Science and Technology (QST), hergestellt.
Jede fertige Spule ist riesig: 17 Meter hoch, 9 Meter breit und etwa 360 Tonnen schwer.
Tatsächlich funktionieren die toroidalen Feldspulen zusammen wie ein einziger Magnet: der stärkste Magnet, der jemals hergestellt wurde.
Sie werden eine magnetische Gesamtenergie von 41 Gigajoule erzeugen. Das Magnetfeld von ITER wird etwa 250.000 Mal stärker sein als das der Erde.
Herstellung der toroidalen Feldspulen
Der Herstellungsprozess begann mit der Produktion von Niob-Zinn-Litzen. Mehr als 87.000 Kilometer dünner Draht wurden benötigt, um 19 toroidale Feldspulen herzustellen. Diese Litzen wurden in China, Europa, Japan, Korea, Russland und den Vereinigten Staaten hergestellt.
Hunderte von Niob-Zinn-Strängen wurden mit Kupfersträngen zu einem seilartigen Bündel gewickelt und in einen Stahlmantel mit einem zentralen Kanal zur Aufnahme des erzwungenen Flusses des flüssigen Heliums eingesetzt.
Das Ergebnis – ein „Kabel im Rohr“ oder einfach „Leiter“ – stellt das Kernelement der Spulen dar. Dieses Leitermaterial wurde nach Japan und Europa verschifft, um mit dem Herstellungsprozess zu beginnen.
Die eigentliche Herstellung war noch anspruchsvoller. Zunächst wurden etwa 750 Meter Leiter in eine Doppelspirale gebogen und bei 650 °C wärmebehandelt. Anschließend wurden sie präzise in eine D-förmige „Radialplatte“ eingepasst, eine Edelstahlkonstruktion mit Rillen auf beiden Seiten, in die sich der Leiter schmiegt.
Der Leiter wurde mit Glas- und Kaptonband umwickelt und isoliert. Abdeckplatten wurden angebracht und lasergeschweißt. Dadurch entstand ein „Doppelpfannkuchen“, ein riesiges, aber empfindliches Unterbauteil aus zwei Leiterschichten. Der gesamte Doppelpfannkuchen wurde dann erneut in Isolierband eingewickelt und mit Harz injiziert, um die strukturelle Festigkeit zu erhöhen. Dabei wurde Vakuum verwendet, um alle Lufteinschlüsse zu entfernen.
Im nächsten Schritt wurden sieben Doppelpfannkuchen zu einem „Wicklungspaket“ gestapelt, das den Kern des späteren Magneten bildete. Jeder Doppelpfannkuchen wurde mit dem nächsten verbunden, um die elektrische Kontinuität zu gewährleisten. Das gesamte Wicklungspaket wurde isoliert, wärmebehandelt und erneut mit Harz injiziert.
Abschließend wurde das Wickelpaket in ein massives, zweckmäßiges Edelstahlgehäuse eingesetzt, das etwa 200 Tonnen wiegt und stark genug ist, um den enormen Kräften standzuhalten, die während des ITER-Betriebs entstehen.
Mehr als 40 Unternehmen waren an der Entwicklung der Toroidalfeldspulen (TF-Spulen) beteiligt. Zu den wichtigsten europäischen Unternehmen zählen:
Japan war für die Herstellung aller 19 TF-Spulengehäuse verantwortlich, in einer Zusammenarbeit zwischen Mitsubishi Heavy Industries, Toshiba Energy Systems und Hyundai Heavy Industries. Darüber hinaus sind folgende Unternehmen an der Herstellung der japanischen TF-Spulen beteiligt:
„Die Fertigstellung und Auslieferung der 19 ITER-Toroidfeldspulen ist eine monumentale Leistung“, sagte Pietro Barabaschi, Generaldirektor des ITER. „Wir gratulieren den Mitgliedsregierungen, den nationalen ITER-Agenturen, den beteiligten Unternehmen und den vielen Einzelpersonen, die diesem bemerkenswerten Unterfangen zahllose Stunden gewidmet haben.“
Wie funktioniert die Fusion?
Wie viel Leistung wird der ITER-Tokamak liefern?
Das Kraftwerk bei ITER wird etwa 500 Megawatt thermische Leistung erzeugen. Bei Dauerbetrieb und Anschluss an das Stromnetz wären das etwa 200 Megawatt elektrische Leistung, genug für etwa 200.000 Haushalte.
Ein kommerzielles Fusionskraftwerk wird mit einer etwas größeren Plasmakammer ausgestattet sein und damit 10- bis 15-mal mehr elektrische Leistung liefern. Ein 2.000-Megawatt-Fusionskraftwerk könnte beispielsweise 2 Millionen Haushalte mit Strom versorgen.
Fusionskraftwerke sind kohlenstofffrei; sie stoßen kein CO2 aus.