Das ITER-Projekt setzt auf Heliumverdichter von Sauer Compressors

Kühlen Kopf für Kernfusion

| Redakteur: Silvano Böni

Luftperspektive der ITER-Baustelle. Ab 2020 soll der Betrieb dann endgültig starten.
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Luftperspektive der ITER-Baustelle. Ab 2020 soll der Betrieb dann endgültig starten. (Bild: ITER)

Im südfranzösischen Cadarache wird an der Umsetzung einer spektakulären Vision gearbeitet. Die Fusionsanlage ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) soll nach dem Vorbild der Sonne durch Kernfusion Energie gewinnen und so die Stromversorgung der Menschheit sichern. Zu den grössten Herausforderungen zählt die hohe Temperatur im Inneren des Reaktors. Bei der Kühlung dieses Reaktors spielt Technologie von Sauer Compressors eine zentrale Rolle: das weltweit grösste System zur Heliumrückgewinnung.

Der Fusionsreaktor ITER ist ein internationales Gemeinschaftsprojekt, welches von der Europäischen Union, den USA, Russland, China, Japan, Südkorea und Indien betrieben wird. Ab 2020 soll der Betrieb starten mit dem Ziel, die Kernfusion als Energiequelle der Sonne auch unter irdischen Bedingungen durchzuführen. Dabei verschmelzen unter gewaltiger Hitze die Wasserstoffsorten Deuterium und Tritium zu einem Plasma. Bei diesem Prozess werden grosse Mengen von Energie freigesetzt. Die Forscher versprechen sich davon eine unerschöpfliche Energiequelle, die zudem völlig emissionsfrei und un­gefährlich ist. Das Prinzip ist bereits erprobt. Allerdings musste bislang für die Aufheizung des Plasmas auf die Zündtemperatur von rund 100 Millionen °C mehr Energie aufgewandt werden, als anschlies­send per Fusion zurückgewonnen werden konnte.

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Die ITER-Versuchsanlage verfügt über einen Fusionsreaktor vom Typ «Tokamak», der mit einem Volumen von 840 Kubikmetern erheblich grösser ist als alle bisherigen Anlagen dieser Bauart. Mit dem Reaktor soll zehn Mal mehr Energie erzeugt werden können, als für die Zündung des Plasmas erforderlich ist. Aufgrund der hohen Temperatur lässt sich das Fusionsplasma nicht in materiellen Gefässen einschliessen. Stattdessen werden gigantische mag­netische Felder genutzt, um den schwebenden Brennstoff wärmeisolierend zu umfassen und von den Gefässwänden zu trennen.

Helium-Verbrauch minimieren

Die supraleitenden Magnetspulen, die das nötige magnetische Feld erzeugen, werden mit grossen Mengen Helium bei hohem Druck und einer Eintrittstemperatur von 4,5 K gekühlt. Allerdings ist das Edelgas aufgrund seines besonderen Diffusions­vermögens ein anspruchsvolles Kühlmedium. Helium hat einen sehr geringen Atomdurchmesser und kann selbst kleinste Öffnungen und Poren bei Metallen und Verschraubungen durchdringen. Da das Edelgas sehr teuer ist, muss der Verlust durch Verdunstung und Leckagen möglichst gering gehalten werden. Die Planer des Fusionsreaktors ITER wünschten daher eine Anlage zur Rückgewinnung des bei der Kühlung abgedampften Gases. Ein zusätzliches System sollte für die Verdichtung von Leckagen im Heliumkreislauf installiert werden.

Sauer Compressors war in der Lage, die hohen Anforderungen des Projektes zu erfüllen. Die Spezialisten kombinierten beide in Kiel produzierten und getesteten Systeme in der Montagehalle der französischen Gesellschaft Girodin-Sauer SAS zu einer zusammenhängenden Anlage, bestehend aus fünf Heliumverdichtern auf einem vierteiligen Grund­rahmen von 8 x 8 Metern – das grösste System dieser Art. Im Anschluss konnte die komplett gasdichte Rückgewinnungsanlage mit Edelstahlverrohrung an den Kunden Air Liquide ausgeliefert werden. Seit dem Sommer 2017 erfolgt die Installation im Fusionsreaktor ITER.

Heliumrückgewinnung mit speziellen Kompressoren

Die Rückgewinnungsanlage sammelt das bereits zur Kühlung genutzte Helium in zehn Auffangballons mit einem Volumen von jeweils 100 m³. Anschliessend sorgen vier Sauer-Heliumverdichter vom Typ WP6305 BasSealHe-B für die Rückverdichtung. Die kompakten Kolbenkompressoren mit zwei Verdichtungsstufen und sechs Zylindern wurden von Sauer Compressors eigens für diese Anwendung entwickelt. Sie erzeugen bei minimalen Schall- und Vibrationsemissionen einen Enddruck von 22 bar.g und einen Volumenstrom von 535 m³/h. Ein integriertes Wasserkühlsystem ermöglicht die direkte Kühlung der Zylinder und der Zylinderventile (Einzelzylinderkühlung sowie Kühlung zwischen den Stufen). Weitere Merkmale sind die einzigartige doppelte Wellenabdichtung, die gasdichten Sicherheitsventile und eine Rückführung des Gases von den Abscheidern.

Das Rückgewinnungsmodul wird im Fusions­reaktor ITER rund vier Stunden täglich betrieben und im Normalbetrieb eine Rückverdichtungsleistung von einem Gramm Helium pro Sekunde erreichen. Allerdings ist die Anlage darauf ausgelegt, bis zu 100 Gramm Helium pro Sekunde zu verdichten. So wird gewährleistet, dass im Falle eines Blackouts des Fusionsreaktors die gesamte Menge an Helium, welche sich zu diesem Zeitpunkt in der Anlage befindet, zurückgewonnen werden kann. Aus eben diesem Grund verfügt das Rückgewinnungssystem als einziger Anlagenbestandteil über eine eigenständige Notstromversorgung.

Die statische Leckagerate der Kompressoren liegt unter 0,1 mbar x l/s. Im Vergleich zu optimierten Luftkompressoren, die zur Heliumverdichtung genutzt werden, reduzieren sich die Verluste um Faktor 8. Die statischen und dynamischen Leckage­raten der Maschinen wurden von Sauer Compressors auf einem speziellen Heliumprüfstand unter realen Bedingungen ermittelt und testiert. Sämtliche Komponenten der Rückverdichtung inklusive der Pufferbehälter und des Filtrationssystems stammen von Sauer Compressors.

Leckagen im Heliumkreislauf verdichten

Zur Verdichtung von Leckagen im Heliumkreislauf der Anlage dient ein zusätzliches System von Sauer. Ein spezieller Heliumverdichter vom Typ Passat WP156L BasSealHe-B rückverdichtet Leckagen, die an einer dort installierten mechanischen Dichtung auftreten. Der 3-stufig luftgekühlte Kolbenkompressor wird im Dauerbetrieb laufen. Er erreicht einen Enddruck von 20,5 bar.g bei einem Volumenstrom von 96 m³/h. Auch dieser Kompressor besitzt mit einer Leckagerate von unter 0,1 mbar x l/s eine aussergewöhnlich hohe Gasdichtigkeit.

Die Installation der gesamten Helium-Rückgewinnungsanlage wird im Laufe des Jahres 2018 abgeschlossen. Der Fusionsreaktor ITER kann die supraleitenden Magnetspulen mit minimalem Heliumverbrauch kühlen und die Betriebskosten dauerhaft niedrig halten. SMM

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