Kernfusionsreaktor – ITER

Bau des größten Kernfusionsreaktors der Welt

Im südfranzösischen Cadarache wird seit 2007 in einem internationalen Forschungsprojekt ein Kernfusionsreaktor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) errichtet. Fernziel des Projektes ist es, Energie, die bei der Fusion von Wasserstoffatomen entsteht, zur Gewinnung von elektrischer Energie zu nutzen. Für die Fusion von Wasserstoff soll im ITER-Reaktor der Brennstoff (Wasserstoff) auf eine Temperatur von 150 Millionen °C erhitzt werden. So entsteht ein Plasma, welches nicht mit anderen Bauteilen in Berührung kommen darf.

 

Hierzu wird beim ITER-Reaktor das Tokamak-Prinzip genutzt, bei dem es sich um einen kreisförmigen Typ eines Fusionsreaktors handelt, der mit der Methode des magnetischen Plasmaeinschlusses den Brennstoff in einem Vakuum hält. ITER wird, nach der voraussichtlichen Fertigstellung im Jahr 2025, der weltgrößte Tokamak-Fusionsreaktor mit einem Plasma Radius von 6,2 m, einem Plasma Volumen von 840 m³ und einer Fusionsenergieleistung von 500 MW sein. Hierzu ist eine enorm komplexe Maschine mit einem Gesamtgewicht von 23000 t und über 10 Millionen Bauteilen erforderlich.

 

Die ITB GmbH führt, in Zusammenarbeit mit der CADFEM GmbH, für die ITER Organization unterschiedlichste Berechnungen im Bereich der Thermik und Strukturmechanik durch.

 

  • Toleranzanalysen

Das Magnetsystem des ITER-Reaktors setzt sich aus Bauteilen enormer Größe und Gewichts zusammen. Eine wichtige Komponente des Magnetsystems sind die sogenannten 18 D-förmigen Magnetspulen (Toroidal Field Coils). Jede dieser 18 Magnetspulen weist ein Gewicht von 310 t, eine Länge von 9 m und eine Höhe von 16,5 m auf. Gleichzeitig ist bei der Positionierung der Magnetspulen eine Toleranz von wenigen Millimetern zu beachten.

 

Für die Berechnung der Lasten auf diversen Verbindungselementen zwischen den einzelnen Spulen ist ein Finite-Elemente-Modell der wichtigsten Bauteile des gesamten ITER Reaktors erstellt und von der ITB GmbH für die Berechnung optimiert worden. Mit diesem Modell wurden von unseren Unternehmen Toleranzanalysen durchgeführt, um zu untersuchen, welchen Einfluss Abweichungen von der Referenzgeometrie auf die Belastung der Verbindungsbauteile haben.

 

  • Der Weg der Magnetspulen von der Anlieferung bis in den ITER-Reaktor

Für die Arbeit mit Magnetspulen dieser Größenordnung sind spezielle Werkzeuge erforderlich. Zwei dieser Werkzeuge sind das sogenannte Up-Ending Tool und das Sub-Sector-Assembly Tool. Das Up‑Ending Tool wird verwendet, um die Magnetspulen aus einer horizontalen Transportposition in Ihre endgültige vertikale Position aufzurichten. Um sicherzustellen, dass die Magnetspulen durch diese Bewegung keinen Schaden nehmen, wurde ein entsprechendes FE-Modell erstellt und hiermit die Beanspruchungen der Magnetspulen und des Up-Ending Tool beim Aufrichten ermittelt und bewertet.

 

Das Sub-Sector-Assembly Tool wird verwendet, um zwei aufgerichtete Magnetspulen zueinander zu positionieren und untereinander und mit weiteren Bauteilen zu verbinden, bevor der Sektor aus zwei Magnetspulen und weiteren Bauteilen zu ihrer endgültigen Position in der Maschine transportiert wird. Anhand von FEM-Berechnungen für das Sub-Sector-Assembly Tool wurde für diverse Szenarien untersucht, welchen Einfluss Abweichungen der Position oder der Geometrie von der Referenzsituation auf die Positionierung der Bauteile zueinander und auf ihre Beanspruchungen haben.

 

  • Lebensdaueranalysen einzelner Komponenten im Regelbetrieb des ITER-Reaktors

Für verschiedene Verbindungselemente zwischen den einzelnen Magnetspulenwurde wurde mittels Submodellen lokale Spannungs- und Dehnungszustände ermittelt und basierend auf diesen Ergebnissen Lebensdaueranalysen dieser Bauteile durchgeführt.

 

The views and opinions expressed herein do not necessarily reflect those of the ITER organization.

 

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