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Torus-Lecksuchtechnik

In dem Thermonuklearreaktor ITER kann der normale Plasmabetrieb bei einer maximalen Leckrate von 10-7 to 10-5 Pa·m3/s (Abschätzung basierend auf Werte existierender Tokamaks) aufrecht erhalten werden. Infolge der über tausend verschiedenen Komponenten (Module, Kassetten, Kühlleitungen, Anschlüsse) innerhalb de Vakuums muss die Genauigkeit der Leckprüfung vor der Montage <10-10 Pa·m3/s sein. Weiterhin sollte das Lecksuchsystem in ITER eine Mindestgenauigkeit von ~10-8 Pa·m3/s erreichen bei einer Wasserstoffabgabe ins Vakuum von etwa ~10-8 Pa·m3/s pro 1 m2 der inneren Wand.

Fläche der inneren Wand:
680 m2
Torusvolumen:
∼2000 m3
Wärmetransportsystem:
Vakuumbehälter:
2 Wärmetransportsysteme
Blanket:
3 Wärmetransportsysteme
Divertor:
1 Wärmetransportsystem
Anzahl der Ringleitungen pro Wärmetransportsystem:
Vakuumbehälter:
9 Ringleitungen (eine für einen Sektor von 20°)
Blanket:
48 Ringleitungen (2-4 Module/Ringleitung durchschnittlich;
3-6 Module/Ringleitung für die Neutralteilchenheizung)
Divertor:
3 Ringleitungen (18 Kassetten pro Ringleitung)

Das Standardlecksuchverfahren basiert auf einer Restgasanalyse (RGA). Das von den Kryopumpen kommende Gas wird dabei mittels eines Massenspektrometers untersucht. Die Dichtheit der Wasserkreisläufe kann getestet werden, indem Helium in die Ringleitungen gegeben wird. Wenn zusätzlich die Kryopumpen bei 30 K betrieben werden, können alle Gase außer Helium adsorbiert werden. Das Helium wird mittels eines Massenspektrometers nachgewiesen.
Die vielen verschiedenen Komponenten machen es notwendig, Lecks genau zu identifizieren, idealerweise innerhalb einer Leitung, noch besser die entsprechende Komponente. Dazu wird dem Kühlmittel ein Nachweismittel zugefügt. Eine entsprechende Kombination aus Gaschromatographen und Massenspektrometer (GCMS) wird zur Zeit an der TIMO-Testanlage untersucht mit dem Ziel, die Nachweismittel (Edelgas, Alkohole, Kohlenwasserstoffe) als auch die Sensitivität für diese zu optimieren.
Für die Suche von Einzelleckagen im ITER-Vakuumbehälter ist eine neue Testeinrichtung im Forschungszentrum Karlsruhe geplant. Für die Lecksuche müssen dabei alle möglichen Szenarien (verteilte, einzelne , sichtbare, verstecke Leckagen, die auch in Verbindung mit Wärme- und mechanischer Belastung der inneren Wand auftreten) betrachtet werden. Zum besseren Verständnis der Komplexität und der Unterschiede zwischen den Szenarien soll die neue Testanlage verschiedene Nachweismethoden beinhalten.
Eine Nachweisemethode ist die Untersuchung des Spektrums auf das OH/O-Band (Wassermolekül), das ohne Leck weder im Plasmabetrieb noch in der Konditionierung auftreten sollte. Die nach Anregung emittierten Photonen können mit dem ITER-Weitwinkelspektrometer nachgewiesen werden. Die Simulation von Blanket-Komponenten in der Testanlage kann dabei zum Test der Suche nach Leckagen auf der Rückseite der Blankets oder im Vakuumbehälter genutzt werden. Das nebenstehende Bild zeigt das JET-Plasma bei der Simulation von Verunreinigungen durch Laserabtrag.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Eine andere Nachweismethode nutzt die induzierte Fluoreszenz der Nachweismittel aus dem Kühlkreislauf nach Laseranregung oder die frequenzabhängige Adsorption des Laserlichts durch Wassermoleküle (z.B. durch die Verwendung durchstimmbarer Laser oder zweier Laser unterschiedlicher Frequenz) aus.
 
Die Verwendung eines Modells des Manipulators für den ITER-Vakuumbehälter ist ebenfalls vorgesehen. Damit ist eine bessere Untersuchung infolge des geringeren Abstandes zur untersuchten Region der inneren Wand möglich. Der Manipulator kann dann ein optisches System oder einen Heliumschnüffler tragen oder Proben für die Analyse im Massenspektrometer sammeln.
 
 
Um den Umfang der Arbeiten zu bewältigen und doppelte Arbeit zu vermeiden ist die Bildung einer international Kooperation mit japanischen und russischen Arbeitsgruppen vorgesehen.