Broschüre "Kernfusion" - KIT - PL FUSION

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132 Entwicklung von Primärvakuumpumpen für ITER Die „Fusionsasche“ Helium, nicht verbrannte Brennstoffe sowie Verunreinigungen werden aus dem Plasmagefäß eines Fusionskraftwerks mittels Vakuumpumpen abgesaugt. Das Forschungszentrum entwickelt solche Pumpen für ITER und führt umfangreiche Funktionstests in der Testanlage TIMO (Test Facility for ITER Model Pump) durch. Auf der Basis der ITER-Betriebsanforderungen wurde das Konzept eines Vakuumsystems erarbeitet, bestehend aus 8 Kryopumpen, die am Umfang des Plasmabehälters positioniert sind. Das Prinzip dieser Pumpen beruht auf der Kondensation und Adsorption von Gasteilchen bei sehr tiefen Temperaturen. Damit lassen sich sehr hohe Pumpleistungen und extrem gute Vakua realisieren. Zum Binden der hoch siedenden Verunreinigungen sind so genannte Baffle vorgesehen, die auf 80 Kelvin gekühlt werden. Um die geforderten Betriebsdrücke in der Pumpe von 10 -3 Pascal auch für Helium und die Wasserstoffe zu erreichen, wurden die Pumpflächen mit Aktivkohlepartikel beschichtet und beim Betrieb auf 4,5 Kelvin gekühlt. Der damit erreichbare Adsorptionsgleichgewichtsdruck erfüllt ohne Probleme die ITER-Anforderungen. Die Wasserstoffisotope und die tiefer siedenden Verunreinigungen werden über eine Kombination aus Kondensation und Sorption angelagert. Abb. 22: ITER-Modellpumpe vor der Installation in der Testanlage TIMO. (Foto: FZK) Die Pumpe arbeitet intermittierend: Nach etwa 10 Minuten Pumpbetrieb werden die Pumpflächen vom Plasmagefäß per Schieber getrennt und von 4,5 auf 100 Kelvin aufgeheizt. Die abdampfenden Gase werden durch mechanische Pumpen bei Grobvakuumbedingungen abgesaugt. Danach wird die Kryopumpe erneut abgekühlt und steht wieder für den Pumpbetrieb bereit. In Vortests wurden Sorptionsflächen hergestellt, erprobt und bis zur Einsatzreife verbessert. Mit diesen Ergebnissen wurde eine 1:2-Modellpumpe (Abb. 22) in Zusammenarbeit mit einer Industriefirma gefertigt. Die Modellpumpe wurde in der Testanlage TIMO in einem Vakuumbehälter installiert, der die Verhältnisse in dem zum Divertor führenden Kanal simuliert. Saugvermögen, Beladung und Enddrücke werden mit ITER-relevanten Gasmischungen ermittelt. Die Modellpumpe hat 4 Quadratmeter Pumpfläche, die auf 16 Einzelflächen aufgeteilt ist. Sie werden mit 4,5 Kelvin kaltem, gasförmigem Helium von einer 2 Kilowatt-Verflüssigungsanlage versorgt. Baffle und Abschirmung werden über einen geschlossenen Helium-Kreislauf versorgt, der über einen Wärmetauscher in einem Flüssigstickstoffbad auf 80 Kelvin konstant gehalten wird. In den bisher durchgeführten Parametertests wurde nachgewiesen, dass die ITER-Anforderungen für Saugvermögen, Beladung und Druck erreicht werden. Weitere Zyklentests zum Nachweis des Regenerierverhaltens sind in Vorbereitung. Die Ergebnisse dienen als Auslegungsgrundlage für die ITER-Prototyppumpe.
7.3.6. Materialentwicklung �� Im Hinblick auf die Entwicklung reduziert aktivierbarer ferritischmartensitischer (RAFM)-Stähle trug das Forschungszentrum Karlsruhe zunächst durch eine Berücksichtigung aller kinematisch möglichen Reaktionskanäle und einer damit einhergehenden wesentlichen Erweiterung der Kerndatenbibliotheken zu einer verlässlichen Vorhersage des Aktivierungsverhaltens aller Elemen- �� Abb. 23: Berechnetes Abklingverhalten der Oberflächen- Gamma-Dosisrate in Eisen und ferritisch-martensitischen Stählen nach Bestrahlung (12.5 MWa/m 2 ) in einer Ersten Wand eines Fusionsleistungs- reaktors. Radiologische Verunreinigungen (schraffierte Fläche) begrenzen derzeit noch das Entwick- lungspotential (EUROFER-ref). (Grafik: FZK) te im Periodensystem bei. Mit Hilfe dieser Aktivierungsrechnungen und ausgehend vom konventionellen, ebenfalls am Forschungszentrum entworfenen ferritisch-martensitischen (FM)-Stahl MANET, beteiligte sich das Zentrum anschließend wesentlich an der weltweiten Entwicklung solcher Stähle durch eine breit angelegte, systematische Legierungsvariation (OPTIFER-Schmelzen). Ein besonderes Merkmal der RAFM-Stahlklasse ist zunächst die vollständige Substitution radiologisch unerwünschter Hauptlegierungselemente wie Molybdän, Nickel, Niob durch die Elemente Wolfram, Tantal und Titan. Als Ergebnis der bisherigen Arbeiten wurde unter Federführung des Forschungszentrums der Referenzwerkstoff EUROFER-97 in mehreren Schmelzen (3,5 - 8 Tonnen) und vielen Halbzeugformen eingeführt und an europäische Assoziationen verteilt. In Abb. 23 ist das berechnete Abklingverhalten für die genannten Stähle, den japanischen Referenzstahl F82H-mod sowie für reines Eisen nach einer angenommenen Bestrahlung von 12,5 MWa/m 2 an der Ersten Wand eines DEMO-Kraftwerks aufgetragen. Der Schnittpunkt der einzelnen Abklingkurven mit dem so genannten Hands-on-Level, ab dem eine ganzjährige Hantierung ohne jegliche Abschirmung erlaubt ist, verdeutlicht das erhebliche Potential einer diesbezüglichen Materialoptimierung. 133
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KERNFUSION ITER Max-Planck-Institut
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Inhalt Vorwort 1. Das Fusionskraftw
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Vorwort Über neunzig Prozent des W
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1. Das Fusionskraftwerk Langfristig
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2. Grundlagen der Kernfusion 2.1. P
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2.4. Der magnetische Einschluss 100
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2.4.2. Der Stellarator Der Stellara
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2.6. Verunreinigungen An die Reinhe
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20 3.1.2. Die Neutralteilchenheizun
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22 Abb. 2: Energieübertragung zwis
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24 3.1.3.3. Elektronen-Zyklotron-Re
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26 Abb. 4 Querschliff eines Nb3Sn-S
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28 Da Fusionsmagnete neben hoher Ma
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30 Ein stabiles Gehäuse, die Blank
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32 3.5. Der Brennstoffkreislauf Die
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36 3.7. Fernhantierungstechniken Zu
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4. Sicherheits- und Umwelteigenscha
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jede Änderung der Betriebsbedingun
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Abb. 3: Behandlungsmöglichkeiten d
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46 Der Vergleich der Kraftwerkskost
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6. Experimentelle Fusionsanlagen 6.
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1 Niederlande • FOM-Instituut voo
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6.3. Der nächste Schritt: ITER Das
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eigetreten. Gegenwärtig laufen die
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66 Abb. 5: Im Kontrollraum von ASDE
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Seite 101 und 102: 7.2.2. Forschungsschwerpunkte Künf
Seite 103 und 104: Abb. 8: Divertor-Konzepte: konventi
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Seite 119 und 120: Abb. 5: Die 112 Tonnen schwere Vers
Seite 121 und 122: 119 �� Abb. 9: Gasblasen in bes
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