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Stellarator
Die Forschungszentren Jülich und Karlsruhe sowie das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in
Garching entwickeln und bauen gemeinsam den Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald. Der
Stellaratorkonzept gilt als attraktiver Kandidat für einen zukünftigen Fusionsreaktor wegen seines
spezifischen Potenzials zum Dauerbetrieb. Wendelstein 7-X ist ein großer Stellarator, der nach dem
Prinzip der Quasi-Symmetrie optimiert wurde. Er besteht aus supraleitenden Spulen und soll
Plasmaentladungen von 30 Sekunden Dauer bei einer Heizleistung von 10 MW liefern. Das Ziel ist,
die grundsätzliche Eignung des gewählten Konzepts zum magnetischen Einschluss bei langen Pulsen
zu demonstrieren.
Das Forschungszentrum Jülich hat entsprechend der vorhandenen Expertise umfassende
Arbeitspakete zum Aufbau des Stellarators Wendelstein 7-X übernommen. Dazu gehören vor allem
Arbeiten zur Auslegung und Fertigung von Komponenten der supraleitenden Spulen, der Zuführungen
und elektrischen Verbindungen, unterstützende Arbeiten in der Schweißtechnik,
Festigkeitsberechnungen sowie Diagnostikentwicklung. Die im Folgenden beschriebenen Arbeiten
wurden im Berichtsjahr durchgeführt.
Bau von Komponenten für Wendelstein 7-X
Für das supraleitende Bus-System, das die Hauptspulen miteinander verbindet, wurde ein
Gesamtkonzept erarbeitet, welches nun alle Arbeitsschritte umfasst und den Zusammenbau
vereinfachen soll. Um die Geometrie der gebogenen Leiter zu prüfen, wurde ein 1:1-Modell erstellt,
das nun in Jülich in einer großen Halle für die weiteren Arbeiten bei der Herstellung und Montage der
Leiter zur Verfügung steht. Die Fertigung des Bus-Systems wird im Frühjahr 2005 beginnen, so dass
die Auslieferung für Wendelstein 7-X rechtzeitig erfolgen kann.
Die Konstruktion der Joints, die zur elektrischen und hydraulischen Verbindung zwischen den
Supraleitern benötigt werden, wurde verbessert. Danach wurden Prototypen hergestellt und
erfolgreich getestet. Die Fertigung aller 250 niedrigohmigen Joints wird 2005 in Jülich beginnen.
Eine Analyse von mechanischen Spannungen für verschiedene Stützelemente wurde durchgeführt,
was zu verbesserten Konstruktionen bei einigen Spulenhalterungen führte. Deformationsanalysen und
Spannungsrechnungen für die planaren Spulen halfen, den Einbettungsprozess in das
Spulengehäuse zu optimieren.
Schweißversuche in Jülich halfen, bessere Vorhersagen bezüglich des Materialschrumpfens und der
damit verknüpften Maßhaltigkeit beim Zusammenbau der Spulenhalterungen zu erlangen. Einige
Schweißvorversuche mit Prototypen wurden in Jülich durchgeführt. Weiterführende Versuche unter
realitätsnäheren Bedingungen fanden auch in Greifswald statt.
Plasmainteraktive Materialien
Unterschiedliche Materialien sind einer gründlichen Analyse bezüglich der auftretenden mechanischen
Spannungen bei Erwärmung unterzogen worden, um damit auf deren Tauglichkeit als Material für
optische Fenster an Wendelstein 7-X zu schließen. Die Berechnungen zeigen, dass für große Fenster
bis zu einem Durchmesser von 13 cm Saphir für Messungen im sichtbaren bis infraroten Bereich
geeignet ist, selbst bei der maximalen quasi-stationären Strahlungsbelastung von 50 kW pro
Quadratmeter. Kleinere Fenster aus ZnSe oder ZnS mit einem Durchmesser von 50 mm können für
den fernen Infrarotbereich eingesetzt werden. Polykristallines Magnesium-Fluorid eignet sich bis zu
Durchmessern von 100 mm nur für Wärmeleistungsdichten von bis zu 20 kW pro Quadratmeter -
höhere Leistungsdichten sind bei entsprechend kürzeren Plasmapulsen möglich. Kalzium-Fluorid und
Barium-Fluorid Fenster können für Anwendungen mit thermischer Belastung wegen der
unakzeptablen Spannungen nicht empfohlen werden.
Zur Untersuchung der Eigenschaften aktiv gekühlter Komponenten für die Divertortargets von
Wendelstein 7-X wurden Tests mit hohen Wärmebelastungen in der Elektronenstrahlanlage JUDITH
durchgeführt. Das Ziel dieser Experimente ist es zu zeigen, dass die Wärmeabfuhrkapazität der
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