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Torus-Kryopumpen

 

Die Fusionsreaktion im Innern eines thermonuklearen Reaktors wird mit hohem Überschuss der beteiligten Reaktionspartner gefahren, nämlich Deuterium und Tritium. Das Fusionsplasma muss außerdem auf einem guten Vakuum gehalten werden. Aus diesem Grund werden leistungsfähige Vakuumpumpsysteme benötigt, die das geforderte Vakuum (Größenordnung einige Pa am Rand) gegen den sehr hohen Gasdurchsatz halten können. Bei der Auswahl der Hochvakuumpumpen sind neben dem hohen erforderlichen Saugvermögen erschwerende Randbedingungen am Einbauort der Pumpen zu berücksichtigen. Dort herrschen hohe Magnetfelder, die den Einsatz schnell laufender Rotoren verbieten, weil sie sich durch induzierte Wirbelströme unzulässig erwärmen würden. Organische Materialien, wie Schmiermittel, Dichtungsmaterialien oder elektrische Isolierungen, können im prozessgasexponierten Teil der Pumpen nicht verwendet werden, da sie gegenüber Tritium und der Neutronenstrahlung nicht resistent sind. Die Pumpen müssen auch unter mechanischen Erschütterungen, die von Plasmaabbrüchen ausgelöst werden, störungsfrei arbeiten. Da für all diese Anforderungen keine handelsüblichen Vakuumpumpen verfügbar sind, werden im KIT spezielle Kryosorptionspumpen entwickelt. Deren Wirkungsweise beruht auf der Kondensation oder Adsorption der abzupumpenden Gase an extrem kalten Pumpflächen mit speziell präparierten Aktivkohlebeschichtungen.

Das Pumpsystem des ITER Torus besteht aus acht Kryopumpen, die über den Divertor und nachgeordnete Kanäle das Abgas des Torus sammeln. Während des Langpuls-Plasmabetriebs von ITER befindet sich ein Teil der Kryopumpen im Pumpmodus, während ein anderer Teil regeneriert wird. Zur Regenerierung wird der Zugang zum Torus verschlossen, die auf den Pumpflächen abgeschiedenen Gase durch Aufheizen freigesetzt und vom Vorpumpsystem abgesaugt.

 

Der Prinzipaufbau der ITER-Toruskryopumpe (1.4 m Durchmesser, 1.8 m lang) ist unten dargestellt. Das Herz der Pumpe ist der Ring aus 28 beschichteten Kryopanels (blau dargestellt) , die auf einer Temperatur von etwa 4.5 K gehalten werden, um auch Helium, das Reaktionsprodukt der Fusionsreaktion, zuverlässig pumpen zu können. Die Kryopanels sind von thermischen Schilden bei etwa 80 K umgeben (grün dargestellt), um die Wärmeeinträge von der Wand (Umgebungstemperatur) bzw. vom zu pumpenden Gas selbst (bis zu 200 °C) möglichst klein zu halten. Zur Drosselung des Gasdurchsatzes wird ein pneumatisch betriebenes Einlassventil verwendet. Während der Regeneration der Pumpe wird es geschlossen. Dieses Pumpenkonzept stützt sich zum einen auf detaillierte technische Designstudien, zum anderen auf ausführliche Parametertests in der TIMO Testanlage .

 

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Zur Validierung des Designs der ITER-Toruskryopumpen wird ein Prototyp gefertigt und in der Testanlage TIMO-2 bei KIT getestet werden. Abhängig von den Testergebnissen wird schließlich das finale Design dieser Pumpen festgelegt. Das komplette Detaildesign bis zur Stufe der Herstellungszeichnungen wird ebenfalls von KIT erarbeitet.

 

Baugleiche Pumpen werden auch zum Aufrechterhalten des Isolationsvakuums im ITER-Kryostat verwendet. Das freie Innenvolumen von 8400 m³ dieser Gebäudestruktur wird auf ein Isoliervakuum von 10-4 Pa abgepumpt, um den Wärmeeintrag auf die 5 K kalten, supraleitenden Magnete zu minimieren. Das Isoliervakuum verhindert den Wärmeabfluss durch die Gasatmosphäre im Kryostatbehälter.

 

Weitere Informationen:

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