Broschüre "Kernfusion" - KIT - PL FUSION
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Abb. 4<br />
Querschliff eines Nb3Sn-Standard- Einzelleiters mit Durchmesser von rund<br />
1 Millimeter und mehr als<br />
20 000 Nb3Sn-Filamenten (Bild: Fa. EAS GmbH, Hanau)<br />
3.2. Supraleitung<br />
Das 100 Millionen Grad heiße Plasma<br />
wird in einem „magnetischen<br />
Käfig“ eingeschlossen, um eine Berührung<br />
mit der Wand des Vakuumgefäßes<br />
zu vermeiden. Aufgrund des<br />
hohen Plasmadruckes von bis zu 10 6<br />
Pascal (10 bar) sind Magnetfeldstärken<br />
von etwa 5 Tesla im Plasma<br />
erforderlich. In den meisten der heutigen<br />
Fusionsexperimente erzeugen<br />
normalleitende Spulen Magnetfelder<br />
solcher Stärke für kurze Zeiträume.<br />
In zukünftigen Fusionsanlagen mit<br />
längerer oder gar stationärer Brenndauer<br />
und größerem Plasmavolumen<br />
wie ITER werden Maximalfelder von<br />
11 bis 13 Tesla an den Magnetspulen<br />
nötig. Derartige Magnetfelder lassen<br />
sich nur mit supraleitenden Spulen<br />
wirtschaftlich erzeugen, da normalleitende<br />
Spulen die freigesetzte Fusionsenergie<br />
fast vollständig verbrauchen<br />
würden.<br />
Unter Supraleitung versteht man das<br />
Verschwinden des elektrischen Gleichstromwiderstandes,<br />
wenn man bestimmte<br />
Festkörper unterhalb einer<br />
„Sprungtemperatur“ T c abkühlt. Zugleich<br />
treten spezielle magnetische<br />
Eigenschaften auf. Aus der Fülle<br />
bekannt gewordener supraleitender<br />
Verbindungen konnten bis heute nur<br />
aus Niob-Titan (NbTi) und Niob-<br />
Zinn (Nb 3Sn) technisch einsatzfähige<br />
Drähte hergestellt werden. Die niedrigen<br />
Sprungtemperaturen sowohl<br />
von NbTi (rund 10 Kelvin) als auch<br />
von Nb 3Sn (rund 18 Kelvin) erfor-<br />
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dern die Kühlung auf Temperaturen<br />
um 4 Kelvin, was mit Flüssig-Helium<br />
in entsprechend komplexen kryogenen<br />
Apparaturen geschieht. Die<br />
Supraleitung wird abgesehen von der<br />
Sprungtemperatur auch noch durch<br />
eine maximale Magnetfeldinduktion<br />
B c2 und eine maximal zulässige („kritische“)<br />
elektrische Stromdichte j c<br />
begrenzt. Die drei Größen sind derart<br />
miteinander verknüpft, dass mit steigendem<br />
Magnetfeld die zulässigen<br />
Werte von T c und j c sinken. Dabei ist<br />
j c keine intrinsische physikalische<br />
Größe, sondern stark abhängig von<br />
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der metallurgischen Behandlung des<br />
Materials. Die speziellen magnetischen<br />
Eigenschaften sind auch dafür<br />
verantwortlich, dass Verlustfreiheit<br />
nur voll gegeben ist, wenn alle<br />
Parameter (T, B, j) stationär konstant<br />
sind. Bei zeitlichen Veränderungen<br />
kommt es zumindest zu transienten<br />
Verlusten. Um trotzdem einen stabilen<br />
Strombetrieb eines supraleitenden<br />
Drahtes zu gewährleisten, ist ein<br />
relativ komplexer Drahtaufbau erforderlich.<br />
Abb. 4 zeigt als Beispiel den<br />
Querschliff eines Nb 3Sn-Standarddrahtes.
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