HELOKA
Der Helium-Kreislauf Karlsruhe (HELOKA) wird für den Test von Komponenten für Fusionsreaktoren unter praxisrelevanten Wärmeflüssen eingesetzt. Dabei wird Helium bei hohen Drücken und hohen Temperaturen als Kühlmittel verwendet. Die Anlage verfügt über zwei Kreisläufe:
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HELOKA-HP für Untersuchungen bis 500 °C und
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KATHELO für Hochtemperatur-Experimente (bis zu 850 °C).
Der Kreislauf hat zwei Testkammern: jeweils ein Vakuumbehälter, der große Komponenten aufnehmen kann. Beide Behälter haben einen Innendurchmesser von 3 m und eine Länge von 3 m (zylindrischer Teil) und sind in der Lage, Vakuumniveaus um 10-5 mbar zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Die High Heat Flux-(Hochwärmefluss-) Teststrecke (unten links in Abb. 1) ist mit einer Elektronenstrahlkanone (EBG) mit einer installierten Leistung von 800 kW ausgestattet, mit der die Oberfläche der Komponenten beheizt werden kann.
KATHELO und HELOKA-HP teilen sich die Testkammer mit hohem Wärmefluss, wobei jeder Kreislauf abnehmbare Rohrleitungsanschlüsse hat, um die Kreisläufe einzeln mit dem Prüfstand in der Testkammer zu verbinden.
Die Heliumzusammensetzung kann während des Betriebs mit einem in die Anlagensteuerung integrierten Massenspektrometer (GAM 400, hergestellt von InProcess Instruments GmbH, Deutschland) überwacht werden. Neben klassischen Messmöglichkeiten verfügt die Anlage über eine Wärmebild-Infrarotkamera und zwei Pyrometer zur berührungslosen Temperaturmessung. Für die Testkammer mit hohem Wärmefluss ermöglicht eine Röntgenkamera eine verbesserte Charakterisierung des Erwärmungsmusters des Elektronenstrahls.
HELOKA-HP
HELOKA-HP ist hauptsächlich für das Testen von Brutblanket Modellen bestimmt und verfügt über die folgenden Eigenschaften:
- Betriebsdruck von 4 bis 9,2 MPa.
- Betriebstemperatur von 100°C bis 500°C.
- Durchflussraten bis zu 1,3 kg/s.
KATHELO
KATHELO (Karlsruhe Advanced Technologies Helium Loop) ist eher auf Helium-gekühlte Divertor-Experimente ausgerichtet und hat folgende Eigenschaften:
- Betriebsdruck von 4 bis 10 MPa.
- Betriebstemperatur von 100 °C bis 700 °C (der Hauptkreislauf ist für 850 °C ausgelegt, aber die aktuelle Verbindung zur Testkammer mit hohem Wärmefluss begrenzt die Betriebstemperatur).
- Durchflussraten bis zu 250 g/s.
Zusätzliche Testmöglichkeiten
Die Anlage verfügt über zwei kleine modulare Wasserkühlkreisläufe (max. Temperatur 120 °C, ein Kreislauf arbeitet mit 7 m3/h bei maximal 2,5 MPa und der andere mit 20 m3/h bei maximal 1,6 MPa). Diese Kreisläufe können an jeder Testkammer oder bei SIRHEX verwendet werden, so dass auch wassergekühlte Modelle untersucht werden können.
Jüngste Experimente in HELOKA
Brutblanket Experimente
1.1 Modell der Ersten Wand eines Fusionsreaktors
Zwei Modelle der Ersten Wand mit unterschiedlichen Oberflächenmaterialien wurden getestet, eines mit einer 2–3 mm dicken ODS-Stahlbeschichtung (mit Oxiddispersion verstärkt), die durch Diffusionsschweißen mit EUROFER97-Stahl verbunden wurde; das andere mit Functionally Graded (FG) Tungsten/EUROFER97-Beschichtung, siehe Abb. 2.
[1] Ghidersa, B.-E.; Abou Sena, A.; Rieth, M.; Emmerich, T.; Lux, M.; Aktaa, J. Experimental Investigation of EU-DEMO Breeding Blanket First Wall Mock-Ups in Support of the Manufacturing and Material Development Programmes. Energies 2021, 14, 7580. https://doi.org/10.3390/en14227580
1.2 Sicherheitsexperiment (Verlust des Kühlmediums)
Es wurde ein prototypischer Aufbau getestet, der eine LOFA-Situation (Loss Of Flow Accident) in einem Modell einer heliumgekühlten Ersten Wand mit Brutblanket unter typischen Wärmebelastungsbedingungen simulierte. Die Ziele waren: (i) die in DEMO erwarteten thermohydraulischen Bedingungen während normaler und nicht normaler Betriebssituationen zu reproduzieren, um verschiedene thermohydraulische Probleme und Strategien für die Kühlmittelströmung zu testen, und (ii) belastbare Daten für die Konstruktion und Sicherheitsanalysen mit numerischen Codes bereitzustellen. Das Modell war eine P92-Stahlplatte mit 10 Kühlkanälen, siehe Abb. 3.
[1] Ghidersa, B.-E.; Gonfiotti, B.; Kunze, A.; Di Marcello, V.; Ionescu-Bujor, M.; Jin, X.Z.; Stieglitz, R. Experimental Investigation of a Helium-Cooled Breeding Blanket First Wall under LOFA Conditions and Pre-Test and Post-Test Numerical Analysis. Appl. Sci. 2021, 11, 12010. https://doi.org/10.3390/app112412010
1.3 Indisches Modell eines Brutblankets
HELOKA ist offen für Kooperationen. Im Jahr 2017 wurde im Rahmen eines Vertrags mit dem Institute for Plasma Research (IPR in Gujarat, Indien) ein Modell des indischen Designs für die Erste Wand und das Brutblanket getestet [1]. Es wurden sowohl normale als auch nicht normale Betriebsbedingungen untersucht.
[1] S. Ranjithkumar et al, Performance assessment of the Helium cooled First Wall mock-up in HELOKA facility, 2020, https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2019.111319
1.4 Überwachung der Kühlmittelgaszusammensetzung
Parallel zu dem oben unter 1.1 beschriebenen Experiment wurde die Zusammensetzung des Kühlgases mit dem Massenspektrometer überwacht. Eine Genauigkeit von 1 Volumen-ppm oder weniger ist erreichbar. Die Messungen sind reproduzierbar und automatisierbar. Die Messungen zeigten, dass die Prozedur beim Befüllen des Kreislaufs dafür sorgt, dass der Heliumstrom in HELOKA auch nach langem Betrieb nur eine geringe Verunreinigung mit Fremdgasen im Bereich von 0,02 Volumen-% aufweist.
R. Krüssmann, B.-E. Ghidersa, Monitoring coolant gas composition at TBM-like operating conditions, Fusion Engineering and Design 166 (2021) 112300, DOI: https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2021.112300.
Heliumgekühlte Divertorexperimente
Das KIT hat eine lange Geschichte in der Entwicklung von heliumgekühlten Divertoren. Das Helium-Multi-Jet (HEMJ)-Fingerkonzept war das erste, das experimentell zeigte, dass ein solches Design Wärmeströmen von bis zu 14 MW/m² standhalten kann.
Dieser Tradition folgend wurde unter EUROfusion das Konzept weiterentwickelt. Anstatt der bisher vorgeschlagenen kleineren 9-Finger-Module schlägt das nun untersuchte Konzept ein Target vor, das aus toroidalen parallelen Kühlelementen besteht, wobei jedes einzelne Element die gleiche Länge wie die poloidale Länge des Targets und eine Dicke von 23 mm in toroidaler Richtung hat. Die Panzerung besteht aus Wolframplatten ähnlicher Form wie die EUROfusion-Basislösung (wassergekühlt, ITER-ähnlich), die auf das Kühlkörperrohr/-gefäß gelötet werden.
Das Kühlmittel (Helium) tritt durch einen im Laminatrohr installierten Verteiler ein. Der Verteiler besteht aus 5 Segmenten, wobei jedes Segment 130 mm lang ist. Das Helium fließt in jedes Segment, tritt durch das Lochmuster an der Seite des Verteilers aus und kühlt so das enthaltende Rohr. Nach dem Auftreffen auf die wärmebelastete Rohrseite strömt das Helium in das nächste Segment. Der Heliumdurchfluss ist so berechnet, dass jedes Kühlsegment 10 MW/m² an der Oberfläche aushält.
[1] M. Zhao, B. Ghidersa, R. Stieglitz, CFD evaluation and optimization of the HEMJ divertor cooling design, Fusion Engineering and Design, Volume 158, 2020, 111669, https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2020.111669
[2] Joon-Soo Lim, Namkyu Lee, B.-E. Ghidersa, Hyung Hee Cho, Enhancement of cooling performance of a helium-cooled divertor through the addition of rib structures on the jet-impingement area, Fusion Engineering and Design, Volume 136, Part A, 2018, 655-660, https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2018.03.048.
[3] Namkyu Lee, Joon-Soo Lim, B-E. Ghidersa, Hyung Hee Cho, Nozzle-to-target distance effect on the cooling performances of a jet-impingement helium-cooled divertor, Fusion Engineering and Design, Volume 136, Part A, 2018, Pages 803-808, https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2018.04.012
SIRHEX
Die SIRHEX-Anlage („Surface Infrared Radiation Heating Experiment“) ist eine Anlage mit mittlerem Wärmefluss, die Infrarotröhren als Wärmequelle verwendet.
Die Testkammer, ein Vakuumbehälter mit einem Durchmesser von etwa 1,8 m, kann bei einem Druck von bis zu 10-3 mbar betrieben werden und Modelle mit einer Länge von maximal 700 mm aufnehmen. Die Modelle können mit Wasser oder mit Antifrogen N gekühlt werden.
In der Anlage können Wärmeströme bis 500 kW/m² erreicht werden. Bei diesen hohen Wärmeströmen ist die Lebensdauer der IR-Heizer jedoch gering [1]. Die Experimente zeigten, dass es möglich ist, bei 300 kW/m² lange Zeit ohne Leistungsabfall oder Verschlechterung der Infrarotstrahler zu arbeiten [2].
[1] A. Kunze, B-E. Ghidersa, F. Bonelli, SIRHEX—A new experimental facility for high heat flux testing of plasma facing components, 2015, https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.01.026
[2] A. Kunze, B-E. Ghidersa, Model-based optimization of the heat flux distribution of IR-heaters for high heat flux testing, 2017, https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2017.05.130
HEMAT
HEMAT (Helium Loop for Materials Testing) ist ein kleinerer Kreislauf, der unabhängig von der HELOKA-Anlage ist (er teilt sich den Kühlkreislauf mit KATHELO). Der Kreislauf dient zum Testen (Korrosionsuntersuchungen) neu entwickelter Materialien unter Hochtemperaturbedingungen und kontrollierter Atmosphäre.
Die Betriebsbedingungen in HEMAT sind wie folgt:
- Temperaturen bis 650 °C.
- Massenstrom max. 20 g/s (max. 5 g/s im Hochtemperaturbereich).
- Betriebsdruck 3 – 4 bar.
- Partialdrücke von Verunreinigungen (z. B. Sauerstoff, Wasserstoff in geringen Mengen) sind einstellbar.
HEMAT ist mit dem Massenspektrometer verbunden, um die Gaszusammensetzung zu messen. Der Kreislauf ist darauf ausgelegt, rund um die Uhr ohne Bedienerüberwachung zu laufen, damit Langzeitexperimente durchgeführt werden können.
In der jüngeren Vergangenheit wurden EUROFER-Proben des Instituts für Angewandte Materialforschung (https://www.iam.kit.edu/awp/146.php) in HEMAT untersucht.