Projekt Mikrowellenheizung für Wendelstein 7-X (PMW)

Details

Das Vorhaben umfasst die Entwicklung, den Aufbau und die Inbetriebnahme des kompletten 10 MW-140 GHz-Mikrowellen-Heizsystems für nahezu stationären Betrieb (CW) am Stellarator W7-X in Greifswald in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik Garching / Greifswald (IPP) und dem Institut für Plasmaforschung (IPF) der Universität Stuttgart sowie in Abstimmung mit der „Unternehmung W7-X“ des IPP. Mit der Elektron-Cyclotron-Resonanz-Heizung (ECRH) bei der Frequenz von 140 GHz, die der Resonanz im W7-X-Magnetfeld von 2,5 T entspricht, soll das Plasma aus dem neutralen Füllgas durch Ionisation erzeugt und dann aufgeheizt werden. Dadurch kann der für Fusionsreaktoren relevante Plasma-Parameterbereich mit langer freier Weglänge der Ionen erreicht werden. Außerdem soll mit der ECRH auch ein stationärer, nicht induktiver Strom getrieben werden, der im stationären Betrieb eine gezielte Beeinflussung des Plasma-Stromprofils zur Verbesserung des Plasmaeinschlusses erlaubt. Die Mikrowellenleistung soll von zehn 140 GHz Gyrotrons mit einer Leistung von jeweils 1 MW erzeugt werden.

Das Vorhaben beinhaltet dabei die Entwicklung und den Bau der 1 MW-140 GHz-CW-Gyrotronröhren und der entsprechenden Torusfenster für den CW-Betrieb in Zusammenarbeit mit dem CRPP am EPFL/Lausanne (s. u.) und der Mikrowellenröhrenfirma Thales (TED) in Frankreich. Die vom IPF/Uni Stuttgart entwickelte quasioptische Übertragungsleitung (Länge ca. 55 m) transportiert die von den Gyrotrons erzeugten Mikrowellen über gekühlte Metallreflektoren (Spiegel) zum Stellarator und koppelt sie in das Plasma ein.

Das gesamte Projekt ist in folgende sieben Teilprojekte gegliedert:

1) Gyrotron-Entwicklung

Das Vorhaben umfasst die Entwicklung des Gyrotrons für den Stellarator W7-X zur Erzeugung der Ausgangsleistung von 1 MW bei einer Frequenz von 140 GHz mit Pulslängen von bis zu ca. 30 min, das heißt im Dauerbetrieb (continuous wave, CW ). Der Wirkungsgrad sollte etwa 50% betragen. Gyrotrons mit der geforderten Pulslänge und Ausgangsleistung waren bei Projektbeginn nicht kommerziell erhältlich.

In Zusammenarbeit mit der Firma Thales Electron Devices (TED, Frankreich) und dem Centre de Recherches en Physique des Plasmas (CRPP) an der Technischen Hochschule EPFL in Lausanne (Schweiz) wurden im Forschungszentrum Prototyp-Gyrotrons entwickelt und untersucht, so dass nach Ablauf der Entwicklungsphase Seriengyrotrons mit den geforderten Spezifikationen gebaut werden konnten.

Die Entwicklung beinhaltete den Entwurf, die Konstruktion und den Bau verschiedener Prototyp-Gyrotrons. Die Entwicklung wurde in zwei Phasen aufgeteilt: a) Bau und Test eines Kurzpulsgyrotrons („Maquette“) mit einer Pulsdauer von mindestens 1s. Damit sollte die Richtigkeit des Gyrotronentwurfs bewiesen werden. Die beim IHM am damaligen Forschungszentrum durchgeführten Tests konnten die Richtigkeit der gewählten Parameter und der Konstruktion für die späteren Seriengyrotrons aufzeigen. b) Bau und Test des Prototyps, von dem Langpulse, aber noch nicht die volle Pulslänge (30 min) erwartet wurden. Zur Maquette wurde ein supraleitender Magnet beschafft. Alle Gyrotrons verwenden von der Industrie hergestellte Fenster aus synthetischem Diamant (Durchmesser 106 mm, am Rand wassergekühlt), ohne die ein Dauerbetrieb bei großen Leistungen nicht möglich ist.

Beide Aufgaben sind erfolgreich beendet worden. Maquette und Prototyp-Gyrotron wurden in den ECRH-Betrieb in Greifswald integriert, da sie wesentlich bessere als die erwarteten Ergebnisse lieferten. Parallel zur Entwicklung der TED-Gyrotrons wurde von der amerikanischen Firma CPI ebenfalls ein 1 MW-Gyrotron entwickelt und von IPP beschafft.

2) Bau der Serien-Gyrotrons

Die gesamte ECRH-Leistung für W7-X beträgt 10 MW und soll von 10 Gyrotrons mit einer Ausgangsleistung von je 1 MW erzeugt werden. Diese Gyrotrons müssen mit Pulslängen von bis zu 30 Minuten betrieben werden, was einem Dauerbetrieb gleich kommt. Zur Reduzierung der Betriebskosten sind die Gyrotrons mit einer Energierückgewinnung versehen, die den Wirkungsgrad der Gyrotrons auf 45 – 50 % steigert.

Nach der erfolgreichen Entwicklungsphase (s. o.) wurden 7 Serien-Gyrotrons bei TED bestellt; die anderen drei Gyrotrons sind die Maquette, der Prototyp und die CPI-Röhre (s. 1)). Das erste Serien-Gyrotron wurde 2005 am IHM und in Greifswald sehr erfolgreich getestet (Einzelheiten unter IHM: Gyrotrons für Wendelstein 7-X). Die nächsten vier Gyrotrons (Nr. 2 bis 5) wurden geliefert und am IHM, z. T. auch am IPP getestet. In diesen Tests wurden die Spezifikationen nicht vollständig erfüllt und es traten diverse vorher unerkannte Probleme auf (insbesondere parasitäre Schwingen unterhalb 140 GHz); zwei Gyrotrons wurden bei den Tests am IPP beschädigt. In den Jahren 20008/09 wurde daher die Fertigung bei TED einige Monate ausgesetzt, bis am IHM eine Lösung entwickelt werden konnte; die Gyrotron-Fertigung wurde im Oktober 2009 wieder aufgenommen. Die reparierten und die weiteren Gyrotrons sollen nun in regelmäßigen Abständen bis 2013 geliefert und getestet werden.

Für die 7 Serien-Gyrotrons und das Prototyp-Gyrotron wurde jeweils ein supraleitender Magnet von der Firma Cryomagnetics (USA) gefertigt; alle 8 Magnete sind geliefert und erfolgreich getestet worden.

Bild 1: Erstes Serien-Gyrotron im Teststand am IHM; im unteren Bildteil der Supraleitende Magnet (grauer Zylinder) mit Dreibein-Ständer, Auskopplung der Mikrowellen in Bildmitte links

3) Übertragungsleitung

Die Übertragung der ECRH-Leistung der 10 Gyrotrons erfolgt über zwei breitbandige Vielstrahlwellenleiter im freien Raum. Im Bereich der Gyrotrons (je 5 Anpass-Spiegel) und der Torushalle (Antenne, s. unter 4)) ist jeweils die optische Übertragung einzelner Strahlen mit der notwendigen Strahlkonditionierung (Strahlparameter, Polarisation, Strahlkombinationsoptik, Strahlverteilungsoptik) vorgesehen. Im Einzelnen umfasst das Übertragungssystem ca. 150 Spiegel mit stabilen Halterungen, die wegen des angestrebten Dauerbetriebs alle wassergekühlt sein müssen. Für die Mehrzahl der Spiegel ist darüber hinaus eine ferngesteuerte Einstellung (zur Justierung, Polarisationsänderung und Kanalumschaltung) notwendig. Alle Komponenten werden innerhalb des sog. Strahlkanals installiert, der die Gyrotron-Halle mit der W7-X-Halle verbindet. Zusätzlich wurden im Strahlkanal aktiv gekühlte Absorber an Stellen starker Streustrahlung sowie eine Vielzahl von Diagnostikeinrichtungen (Kalorimeter, Richtkoppler, Temperatur-, Druck- und Durchflussgeber, Infrarotkameras, schaltbare Retroreflektoren etc.) zur Charakterisierung und Überwachung des Übertragungssystems angebracht. Die von jedem der 10 Gyrotrons erzeugten Mikrowellenstrahlen werden über die Anpass-Spiegel geformt, polarisiert und ausgerichtet; jeweils 5 Strahlen werden auf die beiden Vielstrahl-Spiegel-Strecken konzentriert, weitergeleitet und vor dem Torus in den sog. „ECRH-Türmen“ wieder auseinander geführt, bevor sie über die Antennen (s. 4)) in den Torus eingestrahlt werden.

Als Vorstufe zu dem geplanten System wurde am IPF Stuttgart eine Testleitung aufgebaut, die aus einem Übertragungskanal im gyrotronnahen Teil, einem kompletten Vielstrahlwellenleiter, einem einzelnen Kanal im Bereich der Torushalle sowie (später) auch einer individuellen Antennenoptik für das Torus-Innere bestand. Die Leitung im Maßstab 1:1 bestand aus Spiegeln, die ungekühlt sind, jedoch in Form und Gewicht den realen gekühlten Spiegeln weitestgehend gleichen. Die Tests wurden erfolgreich beendet.

Alle Spiegel im Strahlkanal wurden konstruiert und teils bei der Industrie, teils in der Hauptwerkstatt des ehem. Forschungszentrums hergestellt; sie sind bereits in Greifswald eingebaut; ihre Funktion wurde in Kurz- und Langzeit-Tests mit Mikrowellenlast nachgewiesen. Die im Probe-Betrieb erzeugte Energie wird vorläufig mangels des Plasmas im Torus von eigens konstruierten wassergekühlten Mikrowellenlasten (je ein Kurzpuls-Kalorimeter pro Gyrotron sowie je eine Hochleistungslast für jede der beiden Übertragungsstrecken) aufgenommen. Im Rahmen der Abnahmetests des ersten Serien-Gyrotrons wurden die benutzbaren Teile der Übertragungsleitungen erfolgreich mit Dauerlasten bis 900 kW beaufschlagt.

Nach der Installation jedes Gyrotrons wird die Oberfläche des zugehörigen ersten Spiegels zur Anpassung an die spezifische Strahlverteilung nachbearbeitet. Die Arbeiten an den Türmen und den dort befindlichen Spiegeln sind ebenfalls abgeschlossen; da die Türme bis zur Fertigstellung des Torus nicht in der Torushalle Platz finden, wurden sie in der Hochspannungshalle der ECRH aufgebaut und getestet.

Bild 2: Anpass-Spiegel-Sätze (Kupfer-Oberflächen zum Teil abgedeckt) im oberen Teil des Strahlkanals im IPP Greifswald; die vertikalen Zylinder sind die Kurzpuls-Kalorimeter. Die Austritts-Öffnungen der Mikrowellenstrahlen (Bildmitte auf den Wänden links und rechts) sind noch durch runde Deckel verschlossen.

4) In-vessel-Komponenten (=Antennen im Torus)

Die Vielzahl von Anwendungen der Mikrowellenheizung für W7-X erfordert ein flexibles Antennensystem im Torus. Es wurde daher vorgesehen, für jeden der zehn Strahlen bei 140 GHz eine sowohl in toroidaler als auch in poloidaler Richtung ferngesteuert verstellbare Antenne einzubauen (2 A-Ports, 2 E-Ports). Zur Einsparung von Kosten und Vereinfachung der Wartung wurde ein modulares System entworfen. Zusätzlich sollen in Bereichen mit hoher Konzentration von gefangenen Teilchen zwei weitere Antennen (2 N-Ports) installiert werden, die über Umschaltspiegel in der Übertragungsleitung angesteuert werden. Die Strahlen der 10 Gyrotrons kommen aus dem Strahlkanal über die „Türme“ (siehe 3)) durch je ein Diamantfenster (wie im Gyrotron) in den jeweiligen Port. Die Antennen müssen im Vakuum gut beweglich sein und dabei eine Wasserkühlung ermöglichen – und dies in sehr begrenztem Raum.

Die 10 Diamant-Torusfenster-Einheiten sind fertig gestellt. Der Prototyp einer Antenne wurde konstruiert und am Forschungszentrum gebaut. Der Testbetrieb (10.000 Zyklen) erbrachte eine schnelle, präzise und reproduzierbare Positionierung im gesamten Winkelbereich; die Wasserkühlung erfordert dabei die Verwendung von spiralförmigen Rohren (anstelle von Bälgen). Damit konnten integrale Zuverlässigkeitstests unter Vakuum in der ECRH-Streustrahlungskammer bei IPP erfolgreich durchgeführt werden. Die Fertigung der vier Serien-Antennen mit je drei Kanälen wurde in der Hauptwerkstatt des Forschungszentrums/KIT durchgeführt. Bei den Integraltests am IPP stellten sich 2009 einige kleiner technische Unzulänglichkeiten heraus, weswegen die Antennen Anfang 2010 noch einmal überarbeitet wurden. Die Arbeiten sind erfolgreich abgeschlossen. Die Fertigung der N-Ports wurde aus dem PMW herausgenommen; vorbereitende Studien laufen bei IPF.

5) Kühlsysteme für die ECRH

Das Teilprojekt umfasst die Planung und den Bau der für das ECRH-System an W7-X notwendigen Kühlkreisläufe für die Gyrotrons und für die einzelnen Komponenten der Übertragungsleitung und die In-vessel-Komponenten. Durch die Komplexität der Anlage (verschiedene Hochspannungspotentiale, verschiedene Materialien (Keramiken, Metalle, Diamant-Fenster)) werden unterschiedliche Kühlkreisläufe mit verschiedenen Wasseranforderungen benötigt. Daher musste ein den Anforderungen entsprechendes, möglichst einfaches und preiswertes System entwickelt werden, das nach Abschluss der Planung von einer Industriefirma aufgebaut wurde. Für die Tests der Gyrotrons wurde ein den Anforderungen in Greifswald entsprechendes Kühlsystem am IHM-Teststand installiert.

Die 10 Kühlmodule für die Gyrotrons sind gefertigt und wie die Kühlkreisläufe zur Kühlung der Spiegel an den Hauskühlkreislauf des IPP angeschlossen; Restarbeiten betreffen nur den Anschluss der einzelnen Gyrotrons jeweils nach Anlieferung. Aufgrund der Erfahrungen mit dem ersten Serien-Gyrotron wurde die Anlage auf voll entsalztes Wasser umgestellt (nur Thales-Gyrotrons). Die Antennen-Kühlanlage ist ebenfalls gebaut und die Anschlussleitungen in den Türmen verlegt worden. Die Fensterkühlung der Gyrotrons wurde inzwischen auf Silikon-Öl umgestellt.

Eine Flüssig-Stickstoff-Versorgung zur Grundkühlung der 10 supraleitenden Magnete wurde installiert und in Betrieb genommen; die Befüllung mit Flüssig-Helium erfolgt durch spezielle fahrbare Thermoskannen.

6) Energieversorgung für die ECRH

Die Ausstattung der Gyrotrons mit einstufigem Kollektor mit Gegenpotential zur Erhöhung des Wirkungsgrades erfordert eine spezielle Auslegung und Anordnung der Hochspannungsversorgung (HV-„Modulator“), die auf die primäre, von der Gesamtanlage W7-X bereitgestellte Hochspannungsversorgung zurückgreifen muss. Eine Abstimmung der verschiedenen Anforderungen für die Heizungstypen (Neutralteilchen-Injektion, Ionen-Zyklotron-Resonanz-Heizung sowie der Elektron-Zyklotron-Resonanz-Heizung) war schon während der Planung und dem Aufbau der primären Hochspannungsversorgung am IPP notwendig, um den Forderungen, die durch den Aufbau der Gyrotrons gegeben sind, frühzeitig Rechnung zu tragen. Die am IPF Stuttgart entwickelten Versorgungsnetzgeräte legten die Anforderungen an die von W7-X bereitzustellende HV-Versorgung fest; das HV-Netzgerät liefert dann für jede Röhre die präzise geregelte Hochspannung für die Beschleunigung des Elektronenstrahls, regelt den Strahlstrom über die Kathodenheizung und schützt das Gyrotron im Falle eines Durchschlags durch ein parallel geschaltetes Thyratron-Crowbar vor Beschädigungen.

Zur Aufrüstung des IHM-Gyrotron-Teststandes zur Erprobung der W7-X-Gyrotrons wurde am IPF eine Hochspannungsversorgung (Vor-Prototyp-Modulator) für die Kontrolle der Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls in einem Gyrotron mit „depressed collector“ entwickelt und gefertigt. Die Funktion des neuen Gerätes wurde vor und während der Versuche an der „Maquette“ erfolgreich getestet.

Die hierbei gewonnenen Erfahrungen wurden in ein W7-X relevantes Design für ein ECRH-Netzgerätekonzept eingearbeitet. Die Erweiterungen betreffen Fernhandhabung, Automatisierung, Standardisierung und Modernisierung von Anlagenteilen. Dieses Ziel wird durch eine modulare Anlagenarchitektur und den Einsatz moderner Komponenten wie z.B. Mikrokontroller erreicht. Der Entwurf des Netzgerätekonzeptes wurde unter den Gesichtspunkten der Anbindung an das ECRH-Steuersystem und des Experimenttimings durchgeführt.

Der Bau der 10 HV-Modulatoren mit Zubehör erfolgte am IPF; alle 10 Seriengeräte wurden gefertigt und in Greifswald erfolgreich getestet.

Bild 3: Blick in eine der 10 Hochspannungszellen mit einem HV-Modulator (ECRH-Halle Greifswald): Links Modulator, Mitte Crowbar, rechts Zündspule

7) Mess-, Steuerungs- und Regeltechnik (MSR) für die ECRH

Der Betrieb der Gyrotrons an W7-X benötigt eine hochentwickelte, moderne und zuverlässige Mess-, Steuer- und Regeltechnik (MSR). Diese Technik muss nicht nur mit den einzelnen Komponenten der ECRH, sondern auch generell mit der übergeordneten Struktur der Gesamtanlage W7-X abgestimmt sein. Das Vorhaben umfasst Planung, Entwicklung und Bau der MSR-Technik (Kontroll-Systeme) sowie der Mikrowellendiagnostik.

Die Arbeiten beinhalten die Registrierung aller für den Betrieb der Gyrotrons und der zugehörigen Anlagen (Magnete, Kühlung, Übertragungsleitung, HV-Modulatoren, HV-Sicherheitssystem, Antennen) notwendigen MSR-Parameter, die Aufarbeitung und Visualisierung der Mess- und Kontrollgrößen unter Berücksichtigung der durch W7-X gegebenen übergeordneten Struktur in Zusammenarbeit mit dem IPP, dem IPF Stuttgart und den Herstellern der Seriengyrotrons und der Serienmagnete.

Das Konzept der Steuerung der Prototypgyrotrons wurde von IHM entwickelt. Ziel des Konzeptes war es, die Steuerung so zu bauen, dass das System als Subsystem der ECRH-Anlage von W7-X in Greifswald ohne größere Änderungen übernommen werden kann. Für die Steuerung wird eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) verwendet. Die zu steuernden Komponenten werden über Baugruppen direkt an der SPS oder an den externen Peripheriegeräten angeschlossen.

Zur Minimierung des Installationsaufwandes für die Kommunikation zwischen Teststand und Schaltwarte werden serielle Feldbusse (Profibus) verwendet. Für zeitkritische Anwendungen wird externe Intelligenz prozessnah eingesetzt, die sofort auf eventuell entstehende Fehler reagiert und über den Feldbus die Informationen an die Schaltwarte übermittelt. So ist ein sicherer Betrieb für Mensch und Maschine gewährleistet. Wo eine Entkopplung für hohe Spannungen und erhöhte EMV-Emissionen notwendig ist, werden Lichtwellenleiter eingesetzt. Zur Visualisierung der Messgrößen am Gyrotron wird ein Softwaresystem verwendet, das über eine Multipoint-Schnittstelle (MPI) an die SPS gekoppelt wird.

Die Hardware ist vollständig beschafft und in Greifswald installiert und verkabelt. Alle zugehörigen Komponenten wurden während der Arbeiten an den ersten Gyrotrons erfolgreich getestet. Die Inbetriebnahme der weiteren MSR-Geräte erfolgt(e) jeweils nach der Anlieferung der Gyrotrons, Magnete, HV-Modulatoren und Spiegel.

Stand Februar 2012