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Magnetkühltechniken

Aufgrund der sehr unterschiedlichen Anforderungen beim Betrieb der Experimente waren unterschiedliche Kühltechniken, Kryostate und Kühlverfahren zu entwickeln (Tabelle). Bei den in den 70er Jahren von FZK für Anwendungen in der Hochenergiephysik entwickelten Systemen wurde die klassische He-Badkühlung ( gesättigte He II-Bäder für SL-Beschleunigungsstrukturen und gesättigte He I-Bäder für supraleitende Solenoide, Dipole, Quadrupole) angewandt. Für leistungsstarke Hoch- und Höchstfeldmagnetsysteme wird heute zur Erhöhung der kritischen Supraleiterdaten die Badkühlung mit unterkühltem superfluidem He II gewählt. In diesen Fällen wird ein Kryostat-Konzept mit "thermischer Barriere" angewandt. Dies bringt bei Trennung der He I- und He II-Bäder und Verwendung einer He II-Entspannungsstufe im Kryostaten kryoverfahrenstechnische Vorteile und erfordert keine He II-Kälteanlage ( vgl. Tab. HOMER I, HOMER II, MTA).

Große und leistungsstarke Magnete, wie z.B. für die Fusionsanwendung, werden vorteilhafterweise He-zwangsgekühlt ( innengekühlte SL-Kabel). Dies gewährleistet eine bessere mechanische Stabilität und eine hochwertigere elektrische Isolation des Magneten. Deshalb wurde im FZK Ende der 70er Jahre mit entsprechenden kryotechnischen Untersuchungen und Entwicklungen begonnen. In der dafür erstellten HELITEX-Versuchsanlage (siehe auch Tab.) wurden thermohydraulische und kühlverfahrenstechnische Untersuchungen zur Zwangskühlung mit überkritischem (einphasigem) He I und zur Kühlung von SL-Magneten innerhalb eines autonomen geschlossenen Kühlkreislaufes (Sekundärkreislauf) unter Verwendung kalter He-Pumpen durchgeführt.

Die positiven Erfahrungen hiermit führten zu zwei wichtigen Entscheidungen:

  • die europäische LCT-TF-Spule mit überkritischer He-Zwangskühlung auszuführen

  • die FZK-TOSKA-Fusionsmagnetanlage analog zur HELITEX-Anlage, d.h. mit geschlossenem Sekundärkühlkreislauf unter Verwendung kalter He-Pumpen, auszuführen.

Gemeinsam mit zwei deutschen Industriefirmen wurden zunächst leistungsstarke LHe-Kolbenpumpen mit Massenströmen bis 150 g/s und Druckdifferenzen bis 3 bar entwickelt. Die sehr positiven Betriebserfahrungen mit zwangsgekühlten Fusionsmagneten beim LCT-Projekt und die Attraktivität der Sekundärkreiskühlung wegen

  • Flexibilität beim Betrieb

  • Reservekühlkapazität

  • Entkopplung von Refrigerator und Magnet

beeinflussten die weiteren Kryoentwicklungen zur He-Zwangskühltechnik, auch unter Verwendung verschiedener He-Pumpentypen.

Als alternative Zwangskühlung für supraleitende Tokamak-PF-Spulen wurde die HeI-Zweiphasenkühlung in quasi-horizontalen Kühlkanälen untersucht. Deren Vorteile (isotherme Kühlbedingungen und latente Kühlreserve) wurden beim Betrieb der POLO-Modellspule in der TOSKA-Anlage genutzt.

Die positiven Erfahrungen bei den Untersuchungen zur He II-Zwangskühlung unter Verwendung einer bei FZK entwickelten thermomechanischen Pumpe führten zur Entscheidung, die aus USA zurückerhaltene europäische LCT-Spule in der TOSKA-Anlage bei 1.8 K zu betreiben und dadurch das maximale Feld der NbTi-Spule auf 11 T zu erhöhen. Die entsprechende Kryoverfahrenstechnik wurde entwickelt und erprobt. 1996 wurde die mechanisch verstärkte LCT-Spule in der TOSKA-Anlage erstmals erfolgreich He II-zwangsgekühlt.

Die Umwälzung des Kältemediums erfolgt mit Vorteil in geschlossenen Sekundärkühlkreisläufen. Dabei werden mechanische Pumpen (Kolben-, Zentrifugal-) bei He I- und He II-Bedingungen sowie eine thermomechanische "Fountaineffekt"-Pumpe bei He II-Zwangskühlung eingesetzt.