Kraftwerkstauglichkeit von Fusionsanlagen des Typ …...Plasmaheizung - Mikrowelle 25.11.2019...

Olaf GrulkeMax-Planck Institut für Plasmaphysik, Greifswald

Kraftwerkstauglichkeit von Fusionsanlagendes Typ „Stellarator“:

Die Experimentieranlage Wendelstein 7-X

Übersicht

25.11.2019 2

Grundlagen der Fusion

zwei Konzepte: Tokamak und Stellarator

der Stellarator Wendelstein 7-X

wesentliche Ergebnisse der ersten Betriebsphasen

Fazit

Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

Grundlagen zur Fusion

25.11.2019 3Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

25 50 100 150 200 250

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15 20

1H

2H

3H

8Be4He12C

20Ne16O62Ni

235U

nucleon number A

DE/

A [M

eV/a

mu]

D4He

Tn

1D2 + 1T3 ® 2He 4 (3.5 MeV) + 0n1 (14.1 MeV)

Grundlagen zur Fusion

25.11.2019 4Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

25 50 100 150 200 250

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15 20

1H

2H

3H

8Be4He12C

20Ne16O62Ni

235U

nucleon number A

DE/

A [M

eV/a

mu]

D4He

Tn

1,E-031,E-021,E-011,E+001,E+011,E+021,E+031,E+04

1 10 100 1000

fusio

n cr

oss s

ectio

ns

[mba

rn]

energy in center-of-mass frame [keV]1D2 + 1T3 ® 2He 4 (3.5 MeV) + 0n1 (14.1 MeV)

D-THe3-D

D-D

Anforderungen

25.11.2019 5

Fusionsleistung > Verlustleistung

Lawson-Kriterium / Triple-Produkt

Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

1D2 + 1T3 ® 2He 4 (3.5 MeV) + 0n1 (14.1 MeV)

Anforderungen

25.11.2019 6

Fusionsleistung > Verlustleistung

Lawson-Kriterium / Triple-Produkt

Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

1D2 + 1T3 ® 2He 4 (3.5 MeV) + 0n1 (14.1 MeV)

T » 14keV (~100 Millionen °C)n » 1020m-3 (1/100000 Atmosphärendichte)t » ein paar sguter Einschluß der schnellen a-Teilchen (3.5 MeV)kontrollierte Abfuhr des He (Asche des Fusionsprozesses)

Magnetischer Einschluß

25.11.2019 7Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

Konzepte für magnetischen Einschluß benötigen eine toroidale und eine poloidale Komponente desMagnetfeldesDas Resultat ist ein verdrilltes Magnetfeld, das magnetische “Oberflächen” bildet

[ fundamentale Unterschiede, wie die Komponenten des Magnetfeldes erzeugt werden

magnetische Oberflächen

Komponente poloidal

Komponente toroidal

Magnetfeldlinien

Magnetischer Einschluß - Tokamak

8

externe planare Spulen erzeugen toroidale Magnetfeldkomponenteinduktiv getriebener Strom im Plasma erzeugt poloidale Magnetfeldkomponente

25.11.2019 Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

externe Spulen

Plasmastrom

Magnetfeld

Magnetischer Einschluß - Tokamak

25.11.2019 9Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

hohe toroidale Symmetrie des Magnetfeldes

Magnetischer Einschluß - Tokamak

25.11.2019 10Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

hohe toroidale Symmetrie des Magnetfeldessehr gutes Einschlußverhalten der Teilchen

Magnetischer Einschluß - Stellarator

25.11.2019 11Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

das Magnetfeld wird ausschließlich von externen Spulen erzeugteine große Variation von Konfigurationen möglich

externe Spulen

Magnetfeld

Magnetischer Einschluß - Stellarator

25.11.2019 12Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

Der Preis ist, dass das Magnetfeld keine toroidale Symmetrie mehr besitzen kann

Magnetischer Einschluß - Stellarator

25.11.2019 13Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

das Magnetfeld besitzt keine toroidale Symmetrie mehrVariation der Magnetfeldstärke führt zu erhöhten Verlusten von Teilchen

Magnetischer Einschluß - Stellarator

25.11.2019 14Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

das Magnetfeld besitzt keine toroidale Symmetrie mehrVariation der Magnetfeldstärke führt zu erhöhten Verlusten von Teilchen

Vergleich Tokamak - Stellarator

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Tokamakhohe Symmetrie des Magnetfeldes

[ planare Magnetfeldspulen[ Technologie etabliert

sehr gutes Einschlußverhalten[ geringer Transport durch Magnetfeldgeometrie[ guter Einschluß schneller Teilchen

hoher Plasmastrom benötigt (typisch MA)[ induktiver Stromtrieb verkompliziert

Dauerstrichbetrieb[ Instabilititäten begrenzen Operationsgebiet

(Disruptionen)

Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

Stellaratorkomplizierte Magnetfeldgeometrie erforderlich

[ nicht-planare Magnetfeldspulen[ sehr komplizierte Technologie

Einschlußverhalten generell schlechter, als inTokamaks

[ Transport durch Magnetfeldgeometrie[ schlechter Einschluß schneller Teilchen

kein Plasmastrom benötigt[ intrinsisch dauerstrichfähig[ keine strominduzierten Instabilitäten

Kontrolle der Instabilitäten und Stationarität Optimierung des Einschlußverhaltens

Wendelstein 7-X

25.11.2019 16Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

50 nicht-planare NbTi Spulen5 Typen DC <18 kA

20 planare NbTi Spulen2 Typen DC <16 kA

113 NbTi Zuleitungen14 HTSC Stromzuführungenca. 1000 Heliumrohre10 Elemente des zentralen Stützringes

Kryostatvolumen 420 m3

thermische Isolation

Plasmagefäß 80 m3

265 m2 Komponenten im Gefäß

Plasmavolumen 30 m3

254 Ports 120 Formen 4.5 m Höhe16 m Durchmesser735 t Gesamtgewicht435 t kalte Masse bei 3.4 K

So sieht die Realität aus…

25.11.2019 17Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

Während der Aufbauphase (2011)

25.11.2019 18Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

nicht-planareSpulen

zentraleStützstruktur

Maschinen-basis

Außengefäß

Zuleitungen

Helium-verrohrung

Plasmagefäß

planareSpulen

thermischeIsolation

Optimierungskriterien von Wendelstein 7-X

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Probleme des klassischen Stellarators

1. Einschlussverhalten bei hohen Temperaturen2. Steifigkeit der magnetischen Konfiguration3. Kontrolle Abfuhr von Teilchen und Energie

(Divertorkonzept)

reduzierter geometrieinduzierterTransport

steifes Plasmagleichgewichtreduzierte interne Plasmaströme

verbesserter Einschluss schnellerTeilchen

gutesStabilitätsverhalten

ineinander geschachtelte magnetischeOberflächen

modulares Spulensystem

Wendelstein 7-X wird nicht mit D-T betrieben(Experimentieranlage, kein Reaktor)

Messung der magnetischen Oberflächen

25.11.2019 20Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

Plasmaheizung - Mikrowelle

25.11.2019 21Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

10 Gyrotrons mit einer Gesamtleistung von10MWvariable Einstrahlung in das Plasma

Innovatives Konzept – Divertor im Stellarator

25.11.2019 22Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

magnetische Insel

horizontaler Divertor

vertikaler Divertor

Prallplatte

Gesamtfläche 19 m2

Wärmefluß £ 10 MW/m2

Strikelines

Strike lines

Pumpspalt

Innovatives Konzept – Divertor im Stellarator

25.11.2019 23Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

Divertorstruktur folgt der Magnetfeldgeometrie

Innovatives Konzept – Divertor im Stellarator

25.11.2019 24Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

Divertorstruktur folgt der Magnetfeldgeometrie

Innovatives Konzept – Divertor im Stellarator

25.11.2019 25Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

Divertorstruktur folgt der Magnetfeldgeometrie

Blick in das Innere

25.11.2019 26Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

Hitzeschild 47 m2

max. 0.3 MW/m2

Prallplatten

PrallplattenWandpaneele 62 m2

0.2 MW/m2

Wandpaneele

Divertorelemente 19 m2

max. 10 MW/m2

Prallplatten 22 m2

max. 0.5 MW/m2

Betriebsphasen

25.11.2019 27Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

2015 / 2016

OP 1.1 OP 1.2a

2017

• kein Divertor und nackte Wändekurze Entladungen mit wenig Heizleistung

• Innenausbau mit Divertor• keine Wasserkühlung

~ 3000 Entladungen, max. 100 s Länge

OP 1.2b

2018

Lange stationäre Entladung – moderate Dichte

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stationäre Entladung mit Entladungslänge 100s[ Entladungslänge limitiert durch Temperatur des Divertors

Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

Heizleistung

Plasmadichte

Plasmaenergie

Divertortemperatur

Hochdichteentladung mittels Mikrowellenheizung

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Plasmastart

Hochdichteentladung mittels Mikrowellenheizung

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Plasmastart

dynamische Änderung derWellenpolarisation für hohePlasmadichte

Hochdichteentladung mittels Mikrowellenheizung

25.11.2019 31Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019

Plasmastart

dynamische Änderung derWellenpolarisation für hohePlasmadichte

Leistungserhöhung mitgleichzeitiger Injektion vongefrorenen Wasserstoffpellets

Ablösen der Wärmelast vom Divertor bei hoher Plasmadichte

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starke Reduktion der Wärmelasten auf dem Divertor durch vermehrte Plasmastrahlung

Stationäre Plasmaentladung mit abgelöster Wärmelast

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Einschlussverhalten

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Demonstration der Verringerung der geometrieinduziertenVerlusteHochdichteentladung mit stark erhöhter Plasmaeinschlusszeit

Rekord des Tripelprodukts für Stellaratoren

Fazit

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demonstriert:stationäre Entladungen hoher Dichte mit stark verbessertem Einschlussverhalten demonstriert

[ kontrollierte lange Entladungszeiten, Rekordwerte des Tripelprodukts für Stellartoreninnovatives Divertorkonzept erfolgreich

[ Energieabfuhr über Divertorplatten, Kontrolle der Wärmelasten

ausstehend:Erhöhung der Plasmatemperatur

[ Erhöhung der HeizleistungEinschluss schneller Teilchen

[ Erzeugung schneller Ionenaktive Kühlung der Gefäßkomponenten

Kühlung der Gefäßkomponenten

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Kühlleitungsausbau(600 Teilkreise)

aktiv gekühlter Divertor

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Vielen Dank!