Kundenspezifische Messtechnik: HBK unterstützt ITER bei Fusionsexperimenten

Konventionelle und erneuerbare Strom­erzeugung stellen viele Heraus­forderungen und Risiken dar, wie die Entsorgung lang­lebiger radioaktiver Abfälle, katastrophale Zwischenfälle oder geografische Einschränkungen und Herausforderungen hinsichtlich der Energieübertragung.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen und die Verfügbarkeit von Strom für eine wachsende Bevölkerung sicherzustellen, zielt das internationale Forschungsprojekt ITER darauf ab, den Nachweis zu erbringen, dass Stromerzeugung aus Fusionsenergie im industriellen Maßstab möglich ist.

Herausforderung

Das Entwicklungsprojekt ITER forscht an der Stromerzeugung aus Kernfusion, um den Herausforderungen der konventionellen Stromerzeugung zu entgegenzutreten. ITER suchte einen zuverlässigen Partner für die Messung entscheidender Parameter und Überwachung des gesamten Experiments.

 

Lösung

Mit HBK hat ITER einen zuverlässigen Partner gefunden, der eine Komplettlösung für die erforderlichen Messungen bietet. HBK konnte seine Standardprodukte anpassen, um die spezifischen Anforderungen von ITER zu erfüllen, die oft bis an die physikalischen Grenzen gehen.

 

Ergebnis

Gemeinsam mit ITER entwickelte HBK einen maßgeschneiderten MGCplus-Messverstärker, Dehnungsmessstreifen sowie Thermoelemente und konnte dadurch den Prüfanforderungen gerecht werden und die Entwicklung zukünftiger Fusionskraftwerke unterstützen.

Das ambitionierte Forschungs- und Entwicklungsprojekt ITER

Fünfunddreißig Nationen arbeiten zusammen, um den Nachweis für die Durchführbarkeit der Fusion als großmaßstäbliche und kohlenstofffreie Energiequelle zu erbringen. Diese Energiequelle basiert auf dem gleichen Prinzip, das die Sonne und die Sterne antreibt. Unter dem Einfluss von Hitze und Druck werden gasförmige Wasserstoffbrennstoffe zu Plasma – einem heißen, elektrisch geladenen Gas. Dieses Plasma liefert die Umgebung, in der zur Energiegewinnung leichte Elemente verschmelzen können. 

Das Forschungsprojekt ITER ist der erste Versuchs-Kernfusionsreaktor, der Nettoenergie produzieren wird. Dabei wird mehr Energie aus dem Plasma entnommen als ursprünglich in elektrischer Form zugeführt wurde. Der JET (Joint European Torus) ist derzeit der größte Kernfusions­reaktor der Welt. Im Jahr 1997 erreichte er eine Fusionsleistung von 16 MW, bei einer benötigten Heizleistung von 24 MW (Verhältnis Q = 0,67). ITER wird die Lücke zwischen kleinen Versuchs-Kernfusionsreaktoren und den Fusionskraftwerken der Zukunft schließen. Der Versuchs-Kernfusionsreaktor ITER wird mit einer äußeren Zusatz-Heizleistung von 50 MW eine Fusionsleistung von 500 MW (Q = 10) liefern und somit eine positive Energiebilanz erzielen.

ITER strebt den Erhalt eines Deuterium-Tritium-Plasmas an, das mehr Energie als frühere Fusionsplasmen liefert. Dieses Plasma kann sogar über längere Zeiträume erhalten werden. Das Erzeugen von Tritium wird im Vakuumbehälter getestet, um die Sicherheitsmerkmale einer Fusionsanlage zu demonstrieren. 

Seit 2010 wird ITER auf einem gerodeten 42 Hektar großen Gelände in Südfrankreich gebaut. Das erste Plasma ist für 2025 geplant. Anschließend wird das ITER-Projekt die Fusionsanlage hochfahren und mit Deuterium-Tritium arbeiten, um den letzten wichtigen Schritt zu vollziehen: den Bau von Fusionskraftwerken der Zukunft.

HBK: ein zuverlässiger Partner für ITER

Tausende von Ingenieuren und Wissenschaftlern weltweit arbeiten für das ITER-Projekt, führen Berechnungen und Simulationen durch und planen den Aufbau. Zur Durchführung zusätzlicher Messungen, Überwachung wichtiger Parameter während des gesamten Versuchs und Validierung der erwarteten Berechnungen suchte ITER einen zuverlässigen Partner für Messungen am Vakuumbehälter.

Mit HBK hat ITER einen Partner gefunden, der Sensoren, Messverstärker und Software bereitstellt. Darüber hinaus verfügt HBK über viel Know-how und kann problemlos Standardteile modifizieren und komplette kundenspezifische Lösungen erstellen, um die spezifischen Anforderungen von ITER zu erfüllen, die oft bis an die physikalischen Grenzen gehen.

Kundenspezifische Sensor-Lösung

ITER benötigte eine ganz spezielle, maßgeschneiderte Sensorlösung zur Installation an der Außenseite des ITER-Vakuumbehälters, in dem die Fusionsreaktionen stattfinden. Dieser hermetisch verschlossene Stahlbehälter wird bei 100 °C betrieben und bei 200 °C gebacken, um eine saubere Umgebung für das extrem hohe Vakuum zu gewährleisten, das zur Erzeugung der Plasmen notwendig ist. Dieses Umfeld erfordert, dass die Sensoren unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich der thermischen Alterung und der EMV-Prüfung erfüllen. Zudem müssen sie mit einer Umgebung mit extrem hohem Vakuum kompatibel sein, Strahlung standhalten und eine geringe magnetische Permeabilität aufweisen.

Zur Anpassung der Sensoren an die komplexen und speziellen Anforderungen, definierten ITER und HBK passende Sensorlösungen und überprüften diese in einem detaillierten Qualifizierungstestverfahren. Gemeinsam mit einem spezialisierten externen Partner entwickelte HBK sogar kundenspezifische Thermoelemente und prüfte diese ebenfalls im Rahmen eines detaillierten Qualifizierungstestverfahrens. Nach bestandener Qualifizierungsphase begann die Serienfertigung dieser kundenspezifischen Sensoren.

Kundenspezifische Messverstärker-Lösung

ITER benötigte eine Lösung zur Sicherstellung maximaler Flexibilität bei der Messung mit hohen Kanalzahlen. Da der Messverstärker MGCplus in einer 19-Zoll-Rack-Version mit 16 Messverstärkerkarten erhältlich ist, war er die richtige Lösung für die Anforderungen von ITER. 

Gemäß der gegebenen Konfiguration wurden insgesamt 36 MGCplus-Verstärker mit über 920 Kanälen zur Verfügung gestellt. Aufgrund der hohen Anforderungen an Genauigkeit und Kabellänge wurde für die auf Dehnungsmessstreifen basierenden Sensoren eine Kombination von ML30B und AP01i gewählt. Für die Messung von Thermoelementen entschied man sich für eine Kombination von ML801B und AP809, die 8 Messkanäle pro Steckplatz bietet. 

Aufgrund der EMV-Umgebung in der Tokamak-Anlage, in der die MGCplus-Verstärker installiert sind, definierten ITER und HBK gemeinsam ein klares Testverfahren für die Durchführung der zusätzlichen Tests im HBK-eigenen EMV-Labor, externen deutschen EMV-Labors und einem speziellen französischen Labor für sehr hohe Gleichstrom-Magnetfelder. 

Das MGCplus hat alle EMV-Tests bestanden und die EMV-Standardanforderungen mit Ausnahme des Tests für sehr hohe Gleichstrom-Magnetfelder weit übertroffen. Verschiedene Ansätze zur Bewältigung dieser Herausforderung wurden evaluiert und letztendlich wurde der erfolgversprechendste verfolgt.

Zur Gewährleistung der Langlebigkeit und Zuverlässigkeit entwickelte HBK eine maßgeschneiderte und passgenaue Lösung für ITER. Die gemeinsam mit einem externen Lieferanten, ITER und HBK entwickelte Lösung bestand darin, das MGCplus Netzteil herauszunehmen und in ein externes, abgeschirmtes Weicheisengehäuse einzubauen. Nach dieser Modifikation wurde der Test für hohe Gleichstrom-Magnetfelder wiederholt und das MGCplus bestand ihn problemlos.

HBK-Team für kundenspezifische Systeme

Das ITER-Projekt wurde durch das HBK-Team für kundenspezifische Systeme (Custom Systems) abgewickelt, das für die Arbeit an Lösungen für Systeme mit hoher Kanalzahl, kundenspezifischen Messlösungen und speziellen Softwareanwendungen zuständig ist. Mit Hilfe des Teams für kundenspezifische Sensoren (Custom Sensors), das ITER mit den kundenspezifischen Dehnungsmessstreifen belieferte, und einem externen Partner, der kundenspezifische Thermoelemente herstellte, konnte sich ITER auf die eigene Anwendung konzentrieren und rechtzeitig eine perfekte und maßgeschneiderte messtechnische Lösung erhalten.

Das Team von Custom Systems übernahm die Projektleitung für ITER, d.h. es kümmerte sich um die Qualifizierungsphase, die Zusammenarbeit von externen Lieferanten und dem Team von Custom Sensors und die kundenspezifischen Anpassungen des Messverstärkers. Als selbstbewusster und zuverlässiger Partner konnte HBK sogar auf spontane Änderungen der Anforderungen reagieren und ohne große Verzögerungen die perfekt passenden Lösungen liefern. Nach der Endlieferung unterstützt HBK ITER mit seinem lokalen Service vor Ort bei der korrekten Installation der Messtechnik, damit die ersten Messungen schnell und zuverlässig durchgeführt werden können.

Über ITER

ITER – entwickelt zum Nachweis der wissenschaftlichen und technologischen Machbarkeit der Fusionsenergiegewinnung – wird der weltweit größte Versuchs-Kernfusionsreaktor sein. Fusion ist der Prozess, der die Sonne und die Sterne antreibt: Wenn leichte Atomkerne zu schwereren verschmelzen, wird eine große Menge Energie freigesetzt. Die Fusionsforschung zielt auf die Entwicklung einer sicheren, reichlich vorhandenen und umweltverträglichen Energiequelle ab.

ITER ist zudem eine weltweit einzigartige Zusammenarbeit. Europa trägt fast die Hälfte der Baukosten, während die anderen sechs Mitglieder dieses internationalen Gemeinschaftsunternehmens (China, Indien, Japan, die Republik Korea, die Russische Föderation und die USA) gleichermaßen zum Rest beitragen. Das ITER-Projekt entsteht in Saint-Paul-lez-Durance im Süden Frankreichs.

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