Broschüre "Kernfusion" - KIT - PL FUSION

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138 7.3.7.2. Magnetsicherheit Bei bestimmten Störfallszenarien sind erhebliche Energiemengen zu beherrschen, die in den starken und ausgedehnten Magnetfeldern enthalten sind. Im Toroidalfeld des ITER-Magnetsystems sind etwa 40 Gigajoule an Energie gespeichert. Würde diese Energie auf eine Stelle konzentriert, zum Beispiel durch einen Lichtbogen, könnte man rund 4 Kubikmeter Stahl – etwa 30 Tonnen – zum Schmelzen bringen. Es muss daher sichergestellt sein, dass diese Energie auch im ungünstigsten Fall nicht an problematischen Stellen frei wird, zum Beispiel dort, wo Barrieren zur Umgebung durchgeschmolzen oder andere sicherheitsrelevante Systemkomponenten beschädigt werden könnten. Um das thermische Verhalten supraleitender heliumgekühlter Großmagnete unter Wechselwirkung verschiedener relevanter Einflussgrößen auch unter Störfallbedingungen modellieren zu können, wurde das Programmsystem MAGS (MAGnet System) entwickelt. Supraleitende Spulen erfordern definierte Betriebsbedingungen hinsichtlich Temperatur, Magnetfeld, elektrischer Stromdichte und mechanischer Spannungen. Werden bestimmte Grenzwerte dieser Größen überschritten, verliert der Supraleiter seine supraleitende Eigenschaft („Quench“). Der lokale, plötzliche Verlust der Supraleitung während des Betriebs muss so beherrscht werden, dass die teuren und aufwändig zu ersetzenden Magnetspulen nicht beschädigt werden. Dazu ist unter anderem ein sofortiges geregeltes Herunterfahren des Magnetfeldes, d.h. eine „Schnellabschaltung“, mit Hilfe eines aufwändigen Abschaltsystems vorgesehen. Sie leitet die Magnetfeldenergie in Entladewiderstände außerhalb des Kryostaten ab, bevor das Supraleiterkabel überhitzen und schmelzen kann. Wenn das Abschaltsystem versagt, kann die Energie innerhalb des Kryostaten freigesetzt werden und zu erheblichen Schäden an Spulen und Strukturen führen. Daher stellt das Versagen der Abschaltsysteme bei Verlust der Supraleitfähigkeit in Teilbereichen der Spulen einen wichtigen Magnetstörfall dar. Ein zweiter Störfalltyp kann durch Kurzschlüsse zwischen Spulenteilen während einer Schnellabschaltung entstehen. Solche Kurzschlüsse können zusätzliche ungewollte Stromschleifen bilden, in denen während der Schnellabschaltung starke induktive Kurzschlussströme auftreten. In der Schleife kann ein Mehrfaches des normalen Betriebsstroms die Supraleitung zusammenbrechen lassen und den Leiter zerstören. Aus den obengenannten Störfallbeschreibungen lassen sich jetzt die Anforderungen an ein Rechenprogramm zusammenfassen: Temperatur, Magnetfeld, mechanische Spannung und elektrischer Strom müssen lokal be- rechnet und ausgewertet werden, um zu entscheiden, wann und wo die Supraleitung zusammenbricht. An diesen Stellen muss die ohmsche Leistung bestimmt werden, die zur Temperaturerhöhung beiträgt. Der ohmsche Widerstand reduziert außerdem den Strom im Spulenkreis. Starke Stromänderungen verursachen induktive Effekte, die nennenswerte Energiemengen in Spulenteile oder auch in Gehäuseteile leiten können. Daher wird für eine transiente Rechnung auch eine Stromkreisanalyse benötigt. Als weiterer Faktor spielt die Heliumkühlung eine Rolle. Diese ist im Supraleiterkabel als koaxialer Kanal integriert. In der Regel wird die Temperaturfront entlang des Leiters schneller durch expandierendes Helium verbreitet als durch Wärmeleitung im Kabelmaterial. Das Verteilersystem für das Helium direkt an der Spule bietet außerdem zusätzliche Pfade für die Ausbreitung der Störung. Für eine genaue Betrachtung ist eine thermohydraulische Rechnung notwendig. Eine Besonderheit ergibt sich, wenn ein Kabel so stark beschädigt wird, dass es komplett ausfällt. Dann brennt an dieser Stelle ein Lichtbogen, der eine sehr starke, lokale Wärmequelle darstellt und spezielle elektrische Eigenschaften hat. Mit MAGS wurde ein Programmsystem entwickelt, das eine Analyse unter Berücksichtigung der komplexen Wechselwirkung der verschiedenen
�� Einflussgrößen durchführen kann. Dabei greifen verschiedene Werkzeuge abwechselnd auf eine gemeinsame Datenbasis zu. MAGS verfügt weiter über Werkzeuge zur Modellierung von Randbedingungen, die sich durch die Spulengehäuse und den Kryostaten ergeben. Abb. 29 zeigt eine schematische Übersicht der wichtigsten MAGS-Module mit ihrem Aufgabenbereich. Abb. 30 zeigt eine Modellierung des Spulenkörpers und der Heliumzuleitungen mit MAGS für eine Toroidal- Abb. 30: MAGS-Modell für eine Toroidalfeldspule links: Spulenquerschnitt für zwei pancakes, die sich eine radiale Platte teilen und Seitenansicht einer Toroidalfeldspule, erzeugt mit dem MAGS-Modul GRID. rechts: Heliumzu- und ableitungen für alle 14 pancakes einer Toroidalfeldspule für das MAGS-Modul LINKUP. (Grafik: FZK) �� feldspule. Die Tauglichkeit der MAGS- Ergebnisse konnte bereits anhand des QUELL-Experiments und an Experimenten mit der Toroidalfeldmodellspule von ITER belegt werden. Mit MAGS kann als bisher einzigem Programmsystem eine transiente Analyse von Fusionsmagneten unter Berücksichtigung der Wechselwirkung aller wesentlichen Größen durchführt werden. Es ist daher ein geeignetes Werkzeug zur Untersuchung von Genehmigungsfragen für ITER. Die in diesem Zusammenhang bereits durchgeführten Berechnungen weisen darauf �� Abb. 29: Schematische Darstellung der wichtigsten Module im MAGS-Programmsystem. (Grafik: FZK) hin, dass bei Magnetstörfällen der Schaden im wesentlichen auf den Bereich im Innern der Magnete beschränkt ist. Eine aktuelle Frage ist aber noch, ob ein Lichtbogen an den Durchführungen der Zuleitungen der Spulen durch die Kryostatwand stabil brennen kann und welchen Schaden er maximal anrichten könnte. Zur Unterstützung der Entwicklung eines entsprechenden Rechenmodells werden die Lichtbogenmodellexperimente MOVARC (MOVement of ARCs) und VACARC (VACuum ARC) durchgeführt. �� 139
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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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24 3.1.3.3. Elektronen-Zyklotron-Re
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32 3.5. Der Brennstoffkreislauf Die
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6. Experimentelle Fusionsanlagen 6.
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1 Niederlande • FOM-Instituut voo
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