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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
25.11.2019 15
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
25.11.2019 19Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019
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
25.11.2019 28
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
25.11.2019 29Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019
Plasmastart
Hochdichteentladung mittels Mikrowellenheizung
25.11.2019 30Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019
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
25.11.2019 32Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019
starke Reduktion der Wärmelasten auf dem Divertor durch vermehrte Plasmastrahlung
Stationäre Plasmaentladung mit abgelöster Wärmelast
25.11.2019 33Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019
Einschlussverhalten
25.11.2019 34Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019
Demonstration der Verringerung der geometrieinduziertenVerlusteHochdichteentladung mit stark erhöhter Plasmaeinschlusszeit
Rekord des Tripelprodukts für Stellaratoren
Fazit
25.11.2019 35Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019
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
25.11.2019 36Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019
Kühlleitungsausbau(600 Teilkreise)
aktiv gekühlter Divertor
25.11.2019 37Wendelstein 7-X | O. Grulke I Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2019
Vielen Dank!