Gigantische Kühlanlage: 800 Meter Rohrleitungen verbinden Wärmetauscher und Umwälzpumpen, alles ist zentimetergenau verlegt.
Erschienen in: Energy 2.0 Oktober 2010, S. 59
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Kühlung unter Extrembedingungen

Kühlen einer Fusionsanlage

Immer mehr Energie wird in Zukunft für Kühlung und Klimatisierung benötigt. Die gewaltigsten Anforderungen an ein Kühlsystem stellen indes wissenschaftliche Aufbauten. *  Text: Harald Fette für Energy 2.0 Foto: Anja Richter Ullmann

In der Nähe von Greifswald ist es so heiß wie auf der Sonne. 100 Millionen Grad Celsius herrschen dort – aber nur an einer Stelle in einem speziell dafür vorgesehenen Versuchsaufbau. Die Fusionsanlage Wendelstein 7-X gehört zum Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP). Die Wissenschaftler haben das Ziel, Atomkerne zu verschmelzen um aus der Kernfusion Energie zu gewinnen – als Vorstufe eines Reaktors, der in einigen Jahrzehnten zur kommerziellen Erzeugung von Strom dienen könnte, so die Hoffnung.Nicht nur der Aufwand zum Heizen des Wasserstoffplasmas, das als Brennstoff dient, ist gigantisch. Während eine Heizleistung von mehreren Megawatt es auf sonnenähnliche Temperaturen bringt, erzeugen 100 Tonnen schwere Spulen ein Magnetfeld, das das Plasma auf seine Ringbahn zwingt. Dazu kühlt flüssiges Helium 70 übermannsgroße Magnetspulen aus Supraleitern auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Die Kryo-Anlage von Linde hält die Spulen im Betrieb bei etwa 3,4 Kelvin, also minus 269 Grad Celsius.

Präzisionsarbeit: Die kollisionsfreie Montage in engen Räumen war eine Herausforderung.
Fachjournalist in Konstanz

Kühlkreislauf mit Kaltwasserbecken

Wo Plasma in die Nähe der Wände des Versuchsaufbaus kommt, erhitzt es sie auf bis zu 1000 Grad. Ein Kühlkreislauf führt daher die Wärme von den Wänden des Plasmagefäßes ab, um sie auf etwa 400°C zu halten. Dazu zirkulieren hundert Kubikmeter Kühlwasser in einem System von Rohren und transportieren die vom Plasma abgegebene Energie von den erhitzten Bauteilen via Wärmetauscher in einen zweiten Kühlkreislauf, der sich aus einem 1200 Kubikmeter fassenden Kaltwasserbecken speist. Das erwärmte Wasser strömt in ein Auffangbecken und von dort vor allem nachts über Kühltürme zurück ins Kaltwasserbecken. Kältemaschinen sorgen zusätzlich dafür, dass die Kaltwasserbecken die gewünschte Temperatur von 35°C im primären und 30°C im sekundären Kühlkreislauf halten.

Von 100 Millionen auf 80 Grad Celsius

Durch die Isolierung des Plasmagefäßes herrschen an dessen äußerer Oberfläche gerade mal 80°C. „Die Temperatur des Kühlmediums hängt davon ab, wie viel Wasser pro Zeit man durch einen Querschnitt durchpumpen kann“, erläutert Prof. Robert Wolf, Sprecher des Instituts für Plasmaphysik und Direktor des Departments für Stellarator-Optimierung. Eine Begrenzung liegt somit in den Wassermengen, die man durch die Kühlkreisläufe pumpen kann. Prof. Robert Wolf erklärt, wie die horrend erscheinenden Temperaturunterschiede ausgeglichen werden können: Im Plasma stecken im gleichen Volumen wenige Teilchen, die sich ganz schnell hin und her bewegen. Während im Wasser bei entsprechendem Volumen etwa eine Milliarde mehr Teilchen die Wärme aufnehmen, womit in der Summe gleich viel Wärme gespeichert ist, wegen der hohen Anzahl der Teilchen aber nur eine moderate Wassertemperatur erreicht wird.

Ein Keller voller Rohre

Das Kühlsystem hat gigantische Ausmaße. Es erstreckt sich über zwei Kellergeschosse. Mehr als achthundert Meter Rohrleitungen wurden darin verlegt, zusammen mit Wärmetauschern, Filtern, Umwälzpumpen, Armaturen, Druckausdehnungsgefäßen und weiteren Komponenten. „Es war eine große Herausforderung, die zahlreichen Komponenten und großen Rohre in den engen Räumen zentimetergenau und kollisionsfrei zu montieren“, berichtet Rüdiger Krampitz, Projektleiter an der Forschungsanlage Wendelstein 7-X. Die Anforderungen an die Konstrukteure waren hoch. Die Rohre im Experimentgebäude müssen eine Permeabilität kleiner 1,1 haben, das heißt sie dürfen nicht magnetisierbar sein, um nicht das eigentliche Magnetfeld der Anlage zu stören. Man musste stets die Permeabilität der Rohre vor der Montage kontrollieren und notfalls austauschen. Im Experimentgebäude war es erforderlich, die Komponenten und Rohrleitungen dauerhaft isoliert aufzustellen, um keinen elektrischen Kurzschluss zu erhalten. Eine Rohrschelle beispielsweise muss durch Einlegebänder so verlegt sein, dass sie keine metallische Verbindung zum Rohr hat, berichtet Michael Lüdeke, Geschäftsführender Gesellschafter von AKB Anlagen- und Kraftwerksrohrleitungsbau in Greifswald, der an Konstruktion und Bau der Kühlanlage beteiligt war: „Ansonsten gäbe es Störelemente für den Versuchsaufbau.“

Höchste Anforderungen an das Kühlsystem

Über 15 Prozent des Auftragsvolumens gingen allein in die Ingenieurarbeiten ein. In einem 3D-Computermodell wurde simuliert, wie die Anlage aufgebaut wird und welche Kräfte auf den einzelnen Komponenten lasten. Beim Bau wurde stetig nachgemessen und die Belastbarkeit überprüft. Die Forschungsanlage im IPP erfüllt höchste Anforderungen an ein Kühlsystem. Das meint auch Michael Lüdeke, der Erfahrungen in Industrie und Kraftwerksbau mitbringt: „In der Praxis ist mir das noch nicht vorgekommen. Die Wissenschaft stellt die höchsten Anforderungen an ein Kühlsystem.“☐

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