Die Zukunft der Energiegewinnung

ASG Superconductors - Italien

Leica Absolute Tracker kontrollieren den Bau der riesigen Magneten eines Kernfusionsreaktors.

Eine Minisonne auf der Erde, die eine verblüffende Menge von Energie erzeugt. Saubere, sichere, kontrollierbare Energie, die eine wichtige Rolle spielt, wenn es darum geht, den überwältigenden, exponentiell wachsenden Energiebedarf unseres Planeten abzudecken. Ein Kernfusionsprozess auf der Grundlage eines gängigen, kostengünstigen und einfach verfügbaren Rohstoffs: Wasserstoff aus Meerwasser. Die praktisch risikolose Kontrolle dieser Reaktion in Verbindung mit dem vernachlässigbaren Aufkommen von Abfällen, die schädlich für Mensch, Tier und Umwelt sind.

All dies und viel mehr ist die Synthese der Energieerzeugung durch Kernfusion – das physikalische Phänomen, durch das die Energie der Sonne entsteht. Generationen von Wissenschaftlern haben sich mit diesem Prozess beschäftigt, und bereits in den 1930er Jahren ist seine Reproduktion in einem sehr kleinen Maßstab gelungen. Dass wir heute kurz vor der Realisierung dieser Vision stehen, ist entscheidenden Fortschritten in der Physik und Technologie zu verdanken. Im Rahmen eines umfangreichen Forschungsprojekts zum Bau eines gewaltigen Versuchsreaktors in der südfranzösischen Stadt Cadarache, das von der Europäischen Union, China, Indien, Japan, Korea, Russland und den Vereinigten Staaten gefördert wird, soll in den kommenden Jahren die technische und wissenschaftliche Machbarkeit demonstriert werden. ITER, so der Name des Projekts und des Reaktors, soll im Jahr 2020 fertiggestellt werden und in Betrieb gehen. Ziel ist es, zumindest 30 Minuten lang eine Energiemenge zu erzeugen, die zehnmal höher ist als die zum Betrieb benötigte Energie: 500 MW Leistung sollen 50 MW Verbrauch gegenüberstehen. Der absehbare Erfolg dieses Experiments wird seine Fortführung in einem zweiten Vorhaben, DEMO, ermöglichen, mit dem bereits begonnen wurde. In den kommenden 15 bis 20 Jahren soll mit DEMO das erste Demonstrationskraftwerk zur Erzeugung von Strom aus Kernfusion entstehen.
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Als eine von mehreren möglichen Lösungen zur Realisierung eines Kernfusionssystems beruht ITER auf dem magnetischen Einschluss der Reaktion. Bei der Fusion wird im ITER-Reaktor Plasma auf Temperaturen von über 150 Millionen Grad Celsius erhitzt. Die Bewegung der Plasma-Atompaare von ihrer Bildung bis zur Fusion wird durch die massive Rückstoßenergie eines Magnetfelds erreicht. Verschmelzen die Atompartikel zu einem gemeinsamen Kern, ist dessen Masse geringer als jene der beiden ursprünglichen Partikel, was zur Abstrahlung enormer Energiemengen führt. Auch nach der Reaktion ist das Magnetfeld weiter aktiv und schließt das Plasma in einem Raum ein, der die Nutzung dieser Wärmeenergie ermöglicht und die auf die Gefäßwand wirkenden Kräfte ausgleicht.
 
In La Spezia, über dem Ligurischen Meer zwischen Ligurien und der Toskana, befindet sich der Hauptsitz von ASG Superconductors, einem italienischen Unternehmen, das einige der Hauptkomponenten von ITER herstellt. An seinen Standorten in Genua und La Spezia fertigt ASG supraleitende und herkömmliche Magneten aller Größen, die zum Bau innovativer Magnetresonanzgeräte, zum kontrollierten Beschuss von Tumorzellen und für die experimentelle Hochenergiephysik dienen. Das Unternehmen hat außerdem einige der Magneten des sogenannten Large Hadron Collider (LHC), des Teilchenbeschleunigers am Europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf, geliefert, und seine Magneten sind auch bereits im Bereich der Kernfusion im Einsatz.
Alberto Barutti ist der Qualitätsverantwortliche, Bruno Caserza der Geschäftsführer des Standorts La Spezia.

„Bei der Herstellung eines toroidalen Magneten wie dem, der für ITER benötigt wird, kommen hochmoderne und komplexe Technologien zum Einsatz“, erklärt Barutti. „Die Spulen sind riesig, und das erforderliche Magnetfeld ist so groß, dass zu seiner Erzeugung mit Blick auf die Effizienz des Gesamtsystems Supraleiter verwendet werden müssen. Weil Supraleiter zu unseren Fachgebieten zählen, haben wir hier in La Spezia einen eigenen Standort zum Bau der Spulen eingerichtet, die den Reaktor magnetisch einschließen werden. Der gesamte Bau und die Prüfung der gigantischen Komponenten finden hier statt, und jeder Arbeitsvorgang wird von strengsten Qualitäts- und Maßkontrollen begleitet. Alle gefertigten Komponenten sind Einzelstücke und werden ihre Leistungs- und Funktionsfähigkeit erst nach der Endmontage und Inbetriebnahme des Reaktors unter Beweis stellen können. Aus diesem Grund können wir uns keine Fehler leisten. Jedes Detail muss den theoretischen Spezifikationen exakt entsprechen, um den Erfolg dieses ebenso historischen wie kostspieligen Experiments zu sichern.“
 
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Der Magnet besteht u. a. aus 18 D-förmigen Hauptwicklungen (Wickelpaket) mit einer Länge von ca. 13 m und einer Breite von über 8 m. Jede einzelne Hauptwicklung wiederum setzt sich zusammen aus sieben Doppelwicklungen, die als „Double Pancakes“ bezeichnet und zu einem Wickelpaket zusammengefügt werden. Der Draht der Spulen ist aufgebaut aus einem zentralen Kühlmittelkanal, durch den (bei einer Temperatur nahe des absoluten Nullpunkts, um Supraleitung zu ermöglichen) Helium fließt, einer konzentrischen Matrix von Kupferleitern, in die supraleitende Filamente integriert sind, und einer Sicherheitshülle aus Metall. Der Spulendraht weist einen Außendurchmesser von ca. 40 mm auf und wird in Coils zu je 750 m angeliefert.
 
„Nach strengen Annahmeprüfungen, einschließlich Tests in einer Vakuumkammer, wird der Spulendraht zunächst vom Transportcoil abgewickelt, geradegerichtet und gereinigt. Dann wird die äußere Schicht mit Spezialausrüstung sandgestrahlt“, so Barutti. „In der letzten, aber gleichzeitig wichtigsten und komplexesten Bearbeitungsphase, der Formung, wird der Draht in der Luft ohne Vorrichtung zweifach (oben und unten) in die Form der Spule gebogen. Zu diesem Zeitpunkt ist das Material noch nicht supraleitend und lässt sich beliebig bearbeiten, biegen und formen. Da die Spulen bei der anschließenden Wärmebehandlung zur Erzielung der Supraleitfähigkeit ihre Form ändern, sind ab sofort strenge Kontrollen der Form und Gesamtlänge unerlässlich. Wir benötigen eine Ausgangsform, die nach der Verformung im Zuge der Wärmebehandlung exakt die benötigte Form annimmt. Dabei sind außerdem für die nicht bearbeiteten Elemente sehr enge Toleranzen einzuhalten. Deshalb setzen wir in dieser Phase einen Leica Absolute Tracker AT901 in Verbindung mit einem Leica T-Scan Laserscanner ein. Die 22 Windungen der Doppelwicklung müssen in Bezug auf den 3D-Formfehler Toleranzen in der Größenordnung von einigen Zehntelmillimetern entsprechen. Gleichzeitig gilt für die Gesamtlänge der Windung eine Toleranz von wenigen PPM – ein Wert, der sehr schwer zu messen ist.“
Geschäftsführer Bruno Caserza ergänzt: „In Zusammenarbeit mit den Technikern von Hexagon Manufacturing Intelligence haben wir während der Inbetriebnahme des Messsystems jedoch eine Lösung gefunden: Wir nutzen den Laserscanner zur Erfassung der Geometrie jeder Windung nach Abschluss des Biegevorgangs. Wir prüfen die Gesamtlänge und Form vor dem nächsten Arbeitsschritt, um etwaige in diesem Schritt nötige Anpassungen zu ermitteln, die zur Erzielung der korrekten Länge und Form erforderlich sind. Dann folgt eine Komplettprüfung der Form der Wicklung.“Medium JPGCS ASG Superconductors Italy  3

Nach Abschluss der Biegephase ist die Doppelwicklung bereit für die Wärmebehandlung. Ein 28-tägiger Wärmebehandlungszyklus mit mehreren Phasen und Temperaturen in einem Spezialwärmeschrank verleiht dem Material seine Supraleitfähigkeit. Von diesem Zeitpunkt an muss die große Wicklung in allen nachfolgenden Verarbeitungsphasen mit ganz besonderer Vorsicht gehandhabt werden. Nach der Auskristallisierung wird das supraleitende Material nämlich extrem empfindlich und jede mechanische Belastung kann zu Beschädigungen und Leistungseinbußen führen.

Caserza fährt fort: „Der Vorgang der Wärmebehandlung wurde so konzipiert, dass wir die Verformung der Wicklung unter Kontrolle halten können. Trotzdem müssen wir die tatsächliche Form jeder Wicklung prüfen, bevor wir zum nächsten Verarbeitungsschritt übergehen. In Vorbereitung der nachfolgenden Montagephasen müssen wir darüber hinaus sehr präzise Justierungen der Befestigungen vornehmen, welche die Wicklung in Form halten. Zu diesem Zweck setzen wir einen zweiten Leica Absolute Tracker AT901 zusammen mit dem taktilen Leica T-Probe Sensor ein. Ein vorgegebenes Inspektionsverfahren erlaubt die Durchführung der erforderlichen Korrekturen der relativen Positionen der Windungen auf der Grundlage der mit einer Genauigkeit von wenigen Hundertstelmillimetern erfassten Abweichungen.“Medium JPGCS ASG Superconductors Italy  8

In den anschließenden Montagephasen werden die Wicklungen in ein Spezialgehäuse eingepasst, isoliert und mit Spezialabdeckungen, die mit einem Robotersystem verschweißt werden, abgedichtet. Mit einem dritten Leica Absolute Tracker AT901 wird die Vorrichtung kalibriert, welche die einzelnen Pancakes in der Schweißzelle fixiert. Nach dem Verschweißen der Abdeckungen, einer genauen Maßprüfung in einer Vakuumkammer sowie einer Überprüfung der Elektrik wird jeder Pancake sorgfältig mit einer Isolierung umhüllt. Dann folgt das Vergießen mit Epoxidharz in einem Vakuumimprägnierungsprozess. Der letzte Schritt vor der Auslieferung besteht im Zusammenfügen der sieben Komponenten und der abschließenden Isolierung der Baugruppe. Nach dem zweiten Imprägnierungsvorgang und den Endkontrollen ist die riesige D-förmige Wicklung bereit für den Abtransport zum Reaktor.

„Unser Prozess“, erläutert Barutti, „hängt in jeder Phase unmittelbar von den Maß- und Formprüfungen ab, die wir mit den Geräten von Hexagon und anhand der in Zusammenarbeit mit den Mitarbeitern von Hexagon entwickelten Messverfahren durchführen. Vor einigen Jahren gelang es uns mit Hilfe der Messsysteme von Leica Geosystems, unsere Prozesse zur Fertigung großer Magneten für den LHC zu verbessern und zu zertifizieren. Der LHC ist der bekannte Teilchenbeschleuniger des CERN in Genf und gleichzeitig die größte Maschine der Welt. Er wird aktuell zur Erforschung des Higgs-Bosons eingesetzt. Als wir dann auch den Zuschlag für das ITER-Projekt erhielten, wussten wir bereits, mit wem wir in Bezug auf Messungen, Kontrollen und Korrekturen während des Fertigungsvorgangs zusammenarbeiten wollten. Darüber hinaus wurde die Technologie der Messsysteme in den vergangenen Jahren stark weiterentwickelt und unterstützt heute schnellere und präzisere Messverfahren als je zuvor, was zur Optimierung des Gesamtprozesses beiträgt.“

Alberto Baruttis abschließende Worte gelten den Tätigkeiten, die mit den Messgeräten von Hexagon durchgeführt werden: „Bei der Auswahl und Konzeption der Messsysteme haben wir verschiedene Optionen zur Maßkontrolle unserer Komponenten sorgfältig geprüft. Die guten Erfahrungen, die wir in der Vergangenheit mit Hexagon sammeln konnten, haben uns die Entscheidung leicht gemacht. Für uns war auch die Möglichkeit wichtig, eng mit den Fachleuten von Hexagon zusammenzuarbeiten. Sie haben uns nicht nur Hardware und Software geliefert, sondern eigene Programme und Verfahren für unsere Messaufgaben entwickelt. Da unsere Anwendungen sehr speziell sind, war es unerlässlich, dass beide Seiten ihr Wissen und ihre Erfahrungen einbrachten, um die gesteckten Ziele zu erreichen. Es ist den Experten von Hexagon zu verdanken, dass wir die Laser Tracker Technologie erstmals in einem eher altmodischen Umfeld wie der Messung von Magneten erfolgreich anwenden konnten. Durch diese neuen Technologien profitieren wir in der Herstellung von Spulen von erheblich reduzierten Fertigungszeiten, wesentlichen Vereinfachungen und hoher Datenqualität.“

Case Study: ASG Superconductors

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