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ITER
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ITER (englisch fĂŒr International Thermonuclear Experimental Reactor; lateinisch bedeutet das Wort âWegâ, âMarschâ oder âReiseâ) ist ein Versuchs-Kernfusionsreaktor und internationales Forschungsprojekt mit dem Fernziel der Stromerzeugung aus Fusionsenergie. Der Reaktor beruht auf dem Tokamak-Prinzip und ist seit 2007 beim sĂŒdfranzösischen Kernforschungszentrum Cadarache im Bau.cite-ref-projektplan-1-0[1]
Forschungsschwerpunkte sind verschiedene Methoden und Konstruktionen zur Plasmaheizung, -diagnostik und -kontrolle und die Erprobung verschiedener Blanket-Konstruktionen zum ErbrĂŒten von Tritium. Es soll ein Brennen des Plasmas bis zu einer Stunde erreicht werden, und die freigesetzte Fusionsleistung soll dabei die eingebrachte Heizleistung um das Mehrfache ĂŒbersteigen. ITER wird im Vergleich zu seinem VorgĂ€nger JET wesentlich gröĂer und mit supraleitenden Magnetspulen ausgestattet. Beim Bau von ITER kam es bereits mehrfach zu Verzögerungen und Kostensteigerungen. Die Inbetriebnahme ist nun im Zeitraum 2034 bis 2036 geplant, Experimente mit Tritium ab 2039.cite-ref-zeit-juli-2024-2-0[2]cite-ref-physicsworld-juli-2024-3-0[3]
Falls sich mit ITER und der parallel durchzufĂŒhrenden Werkstoffforschung an der International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF) zeigt, dass das Tokamak-Bauprinzip in den Gigawatt-Bereich vergröĂert werden kann, soll ein Nachfolgeprojekt namens DEMO Strom ins Netz einspeisen und einen geschlossenen Tritium-Kreislauf demonstrieren.cite-ref-4[4]cite-ref-sonnabend-5-0[5] Selbst BefĂŒrworter der Technologie rĂ€umen aber ein, dass es auf dem Weg dorthin noch zahlreiche ungelöste Probleme gibt.cite-ref-6[6]
ITER wird als gemeinsames Forschungsprojekt der sieben gleichberechtigten Partner EU, welche die 27 EU-Staaten, das Vereinigte Königreich und die Schweiz vertritt, USA, China, SĂŒdkorea, Japan, Russland und Indien entwickelt, gebaut und betrieben.cite-ref-sbfi-7-0[7] Die USA waren von 1998 bis 2003 vorĂŒbergehend aus dem Projekt ausgestiegen, Kanada ist seit 2004 nicht mehr dabei. Zwischen der Internationalen Atomenergie-Organisation (IAEO) und dem ITER-Projekt wurde 2008 eine Zusammenarbeit auf Expertenebene vereinbart.cite-ref-8[8]
Contents
âą Funktion
âą Plasmavolumen
âą Divertor
âą Erste Wand
âą Blanket
âą VakuumgefĂ€Ă
âą Spulen
âą Kryostat
âą Kryopumpen
âą KĂ€lteversorgung
âą Stromversorgung
âą Forschungsziele
âą Zeitplan
âą Leistung
âą Standort
âą Finanzierung
âą Projekthistorie
âą ITER-Vertrag
âą Organisation
âą Baufortschritt
âą Siehe auch
âą Literatur
âą Dokumentationen
âą Weblinks
âą Einzelnachweise
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Funktion
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Hauptartikel
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Tokamak
ITER funktioniert nach dem Tokamak-Prinzip. Die Spulen, die das ringförmige VakuumgefÀà umschlingen, erzeugen darin ein starkes Magnetfeld in Umfangsrichtung (Toroidalfeld). In das GefÀà wird dann ca. 1 Gramm Deuterium-Tritium-Gas eingelassen, durch eine oder mehrere verschiedene Heiztechniken (siehe Kernfusionsreaktor#Plasmaaufheizung) erhitzt und so in den Plasma-Zustand gebracht. Ein elektrischer Ringstrom erzeugt zusammen mit den Spulen das schraubenförmig verdrillte Magnetfeld, das das Plasma zusammenhĂ€lt. Die Elektronen und Ionen bewegen sich unter der Lorentzkraft auf engen Schraubenbahnen um die Feldlinien. StöĂe untereinander erlauben allerdings eine Drift quer zum Feld. Teilchenbahnen an der OberflĂ€che des Plasmas enden jenseits einer FeldeinschnĂŒrung auf Divertorplatten in der NĂ€he von Pumpenöffnungen. Die DivertoroberflĂ€chen aus Wolframcite-ref-9[9] sind die am stĂ€rksten wĂ€rmebelasteten Teile des Reaktors.
Die bei der Fusionsreaktion freigesetzten schnellen Neutronen tragen etwa 80 % der Fusionsleistung aus dem Plasma fort. Die restlichen 20 % der Fusionsleistung treten als RĂŒckstoĂenergie der in der Reaktion entstandenen Helium-4-Atomkerne auf; sie wird an das Plasma abgegeben und trĂ€gt erheblich zu dessen Heizung bei. Mit einer zur Steuerung nötigen Ă€uĂeren Zusatz-Heizleistung von etwa 50 Megawatt (MW) âbrenntâ das Plasma weiter.
Details der Konstruktion
Plasmavolumen
In nominaler Geometrie hat das Plasma einen groĂen Torusradius von 6,2 m, einen kleinen Radius von 2 m (das heiĂt, es erstreckt sich von 4,2 bis 8,2 m von der vertikalen Symmetrieachse), ist 6,7 m hoch und hat ein Volumen von 837 mÂł. Diese Angaben beziehen sich auf die Separatrix genannte FlĂ€che des Magnetfeldes, auĂerhalb derer die Feldlinien geladene Teilchen nicht einschlieĂen, sondern zum Divertor lenken.
Divertor
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Hauptartikel
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Divertor
Der Divertor befindet sich unten im VakuumgefĂ€Ă. Er ist in 54 schmale 10-Tonnen-Segmente unterteilt, die einzeln robotisch montiert und auch ausgetauscht werden. Sie bestehen aus einem Stahlkörper als Teil des Neutronenschirms und tragen je drei OberflĂ€chenelemente aus wassergekĂŒhltem Wolfram, insgesamt 210 m2.
Magnetfeldlinien aus dem AuĂenbereich des Torus treffen die fast vertikal orientierten Bereiche der Divertor-OberflĂ€che in flachem Winkel. Dort betrĂ€gt die WĂ€rmestromdichte aus rekombinierenden Plasmateilchen kontinuierlich etwa 1 kW/cm2, kurzfristig 2 kW/cm2. Der flache Einfallswinkel verteilt nicht nur den WĂ€rmestrom auf eine gröĂere OberflĂ€che, sondern treibt entstehendes Neutralgas nach unten, zu den Cryopumpen.cite-ref-10[10]cite-ref-11[11]
Die Stahlkörper des Divertors mĂŒssen groĂen LorentzkrĂ€ften standhalten, die auf elektrische Haloströme wirken, die aus dem Plasma ĂŒber den Divertor zur Wand des VakuumgefĂ€Ăes flieĂen, wenn das Plasma ungeregelt zusammenbricht.cite-ref-12[12]cite-ref-13[13]
Erste Wand
Anders als der Divertor soll der ĂŒberwiegende Teil der âErste Wandâ genannten OberflĂ€che nur wĂ€hrend des Anfahrens Kontakt zum Plasma haben, wird aber danach vor allem durch Strahlung sehr heiĂ. Teilchenbeschuss bei PlasmainstabilitĂ€ten bringt durch Sputtern Wandmaterial als Verunreinigung ins Plasma.
Lange war Beryllium als Beschichtung vorgesehen.cite-ref-nl3323-14-0[14] Vorteile gegenĂŒber Wolfram sind die höhere WĂ€rmeleitfĂ€higkeit und die geringere Ordnungszahl von Z = 4, sodass Beryllium als Verunreinigung geringere Energieverluste durch Bremsstrahlung verursachen wĂŒrde.cite-ref-15[15] Wolfram (W) vom Divertor wĂŒrde allerdings das Beryllium (Be) verunreinigen. Die intermetallische Phase Be22W wĂŒrde abplatzen.cite-ref-be22w-16-0[16] Nun ist Wolfram auch fĂŒr diese OberflĂ€che vorgesehen.cite-ref-be22w-16-1[16]cite-ref-neimag2023-10-06-17-0[17]
Eine Kupferlegierung stellt den WĂ€rmekontakt zu KĂŒhlwasserkanĂ€len her. Das Strukturmaterial der Paneele ist Stahl. Sie sitzen austauschbar auf den Blanket-Modulen.cite-ref-nl3323-14-1[14]
Blanket
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Hauptartikel
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Blanket
Das Blanket (engl. fĂŒr Decke) bedeckt in Form von 440 austauschbaren Blöcken die Innenseite des VakuumgefĂ€Ăes und schĂŒtzt es mit seinen 1530 t (ĂŒberwiegend Stahl) vor den schnellen Neutronen aus der Fusionsreaktion. Der damit verbundene WĂ€rmestrom ist weit gröĂer als der von der OberflĂ€che und wird mit 1 t/scite-ref-18[18] KĂŒhlwasser bei Temperaturen zwischen 70 und 240 °C abgefĂŒhrt.
In den Blankets zukĂŒnftiger Fusionsreaktoren soll zudem Tritium erbrĂŒtet werden, indem die Neutronen in Beryllium oder Blei vermehrt werden und mit Lithium-6 zu Helium-4 und Tritium reagieren. Verschiedene Konstruktionen dafĂŒr sollen in einer spĂ€ten Phase von ITER getestet werden. Diese Test-Blanket-Module werden gesonderte KĂŒhlkreislĂ€ufe haben, mit Helium oder Wasser unter hohem Druck, um die Funktion auf einem hohen Temperaturniveau zu demonstrieren, wie es fĂŒr eine Stromproduktion nötig wĂ€re.cite-ref-nl3323-14-2[14]
VakuumgefĂ€Ă
Das VakuumgefÀà umgibt als Torus das Plasma mit D-förmigem Querschnitt von 6 m innerer Breite. Es schĂŒtzt das Plasma gegen Verunreinigung von auĂen und stabilisiert es passiv durch seine elektrische LeitfĂ€higkeit. Diese ist in Richtung des Plasmastroms geringer, um diesen von auĂen steuern zu können. Das VakuumgefÀà schĂŒtzt auch die Umgebung vor Kontamination mit radioaktiven Nukliden (nicht nur Tritium) und verringert die Neutronenbelastung der supraleitenden Spulen (ErwĂ€rmung) und der Strukturmaterialien (Aktivierung). Dazu befinden sich im KĂŒhlwasser zwischen seinen doppelten StahlwĂ€nden etwa 50.000 Stahlteile von insgesamt fast 1700 Tonnen. Diese sind zudem teilweise ferromagnetisch, um die Welligkeit des Toroidalfeldes zu verringern. SchlieĂlich hat das VakuumgefÀà noch die Aufgabe, ZerfallswĂ€rme aus den Blankets aufzunehmen, wenn deren WasserkĂŒhlung ausfĂ€llt.
Zahlreiche rechteckige Ăffnungen (Ports) erlauben den Zugang zum Inneren fĂŒr die verschiedenen Heiz- und diagnostischen Einrichtungen, fĂŒr Pumpen und Wartungsarbeiten. Sie sind in drei Reihen angeordnet, 18 oben, 17 in der Mitte, 9 unten. Drei Ports sind fĂŒr die Montage von Brutblanket-Testmodulen vorgesehen. Die Ports sind mit Stutzen Port Stubs versehen, die von sogenannten Port Plugs (Stöpseln) möglichst neutronendicht verschlossen sind.cite-ref-19[19] Diagnostische Instrumente z. B. sitzen teils vor, teils eingebettet in wassergekĂŒhlte Stahlteile, die das Volumen der Plugs ausmachen. Auf der rĂŒckwĂ€rtigen Seite sind die Plugs mit Flanschen vakuumdicht auf den Stutzen befestigt. Nach auĂen schlieĂen sich VerlĂ€ngerungen an, Port Extensions, die zur Kompensation von thermischer Ausdehnung mit elastischen FaltenbĂ€lgen vakuumdicht an Ăffnungen in der umgebenden Wand, dem Kryostaten, angeschlossen sind. In ihnen herrscht AtmosphĂ€rendruck.
Das VakuumgefÀà hat einen AuĂendurchmesser (ohne Anbauten) von gut 19 m und eine Höhe von 11 m. Ohne Einbauten (Blankets, Divertoren), Anbauten (Plugs, Port Extensions) und FĂŒllung (Abschirmteile, Wasser) hat es eine Masse von rund 4000 t. Insgesamt lastet es mit fast 9000 t auf einem ringförmigen Podest am Boden des Kryostaten. Die neben dem Gewicht gröĂten mechanischen Belastungen entstehen durch Gasdruck im Kryostaten im Fall eines groĂen Helium-Lecks bzw. elektromagnetisch bei schneller Abnahme des Toroidalfeldes (der regulĂ€re Aufbau des Feldes dauert dagegen zwei Stunden).cite-ref-20[20]
Spulen
Toroidalfeld-Spulen
Das toroidale Feld (TF) hat eine Flussdichte von 5,3 T im Zentrum des Plasmas, in einem Ring 6,2 m von der Mitte des Torus entfernt. Es wird von 18 TF-Spulen erzeugt, die das VakuumgefÀà im nominalen Abstand von 50 mm umgeben (fĂŒr mechanische Toleranzen und dynamische Verformungen). Die maximale FeldstĂ€rke von 11,8 T tritt direkt an den Spulen auf. Das supraleitende Material Nb3Sn, 23 t pro TF-Spule, ist bei der Arbeitstemperatur von 12 bis 13 K bis 13 T belastbar. Die Spule hat 134 Windungen; der Arbeitsstrom betrĂ€gt 69 kA, die Durchflutung also 9,1 MA. Das supraleitende Kabel enthĂ€lt einen zentralen KĂŒhlmittelkanal, einen Kupferanteil, der im Fall eines lokalen Quench den Strom ĂŒbernimmt, ein Ă€uĂeres Stahlrohr und eine Polyimid-Isolierung. Es ist in beidseitig genutete Tragprofile eingelegt und mit Epoxidharz vergossen, zusammen 110 t. Viel gröĂer als das Eigengewicht sind jedoch die magnetischen KrĂ€fte. Die Energie im Toroidalfeld betrĂ€gt 41 GJ und sinkt, wenn die TF-Spulen auseinanderweichen. Die entsprechende radiale Kraft betrĂ€gt pro TF-Spule 403 MN, die vierfache Gewichtskraft des Eiffelturms. Obere und untere SpulenhĂ€lfte streben mit 205 MN auseinander. Daher hat jede TF-Spule ein stabiles GehĂ€use mit einem Stahlquerschnitt von ĂŒber 0,5 mÂČ, und die 18 TF-Spulen werden untereinander mit SpannbĂ€ndern verbunden. Die Belastung ist dynamisch in FĂ€llen von PlasmainstabilitĂ€ten oder von Quenches. Die Konstruktion basiert auf der Forderung, dass die Toroidalfeldspulen zehn Quenches aushalten mĂŒssen, ohne unbrauchbar zu werden.cite-ref-21[21] Je zwei TF-Spulen, 2 Ă 298 t, werden mit einem Sektor des VakuumgefĂ€Ăes vormontiert an ihren Platz gehievt.
Zentraler Solenoid, Poloidalfeld- und Korrekturspulen
Innen sind die TF-Spulen geradlinig und aneinander gepresst. Sie lassen einen zylindrischen Hohlraum fĂŒr den zentralen Solenoid (CS). Dieser ist 18 m hoch und besteht aus sechs gleichen Modulen mit je 549 Windungen. Der maximale Strom betrĂ€gt 45 kA, die FeldstĂ€rke 13 T, die Feldenergie 7 GJ. Um das Feld des Solenoids schnell zu Ă€ndern, sind hohe Spannungen nötig. Seine Isolation ist auf 29 kV Durchschlagsfestigkeit getestet. Der Solenoid âruhtâ auf den inneren FĂŒĂen der TF-Spulen, seine oberen Module allerdings nicht âfreiwilligâ â Spannelemente verhindern das Abheben. Der Solenoid wiegt samt Strukturelementen 954 t.
Die TF-Spulen haben auĂen Flansche, um ringförmige Spulen tragen zu können, die die ganze Anordnung wie Breitenkreise umfassen. Sie formen zusammen mit dem Solenoid die poloidale Komponente des Magnetfeldes (PF) und â parallele Ströme ziehen sich an â den Querschnitt des Plasmas. Es sind sechs groĂe PF-Spulen mit 45 kA und 18 Korrekturspulen mit 16 kA. Anders als die TF-Spulen und der Solenoid sind die schwĂ€cheren PF- und Korrekturspulen aus NbTi, die Arbeitstemperatur betrĂ€gt 6 K. Die Korrekturspulen gleichen statisch Fertigungs- und Montagetoleranzen der groĂen Spulen aus und werden mit einer Grenzfrequenz der Regelung von 100 Hz gegen PlasmainstabilitĂ€ten eingesetzt. Höhere Frequenzen schirmt das VakuumgefÀà ab.
Im Herbst 2025 kam das letzte Magnetmodul, ein 110-t-Bauteil, mit einem Schwerlasttransport vom Hafen Fos-sur-Mer zu seinem Bauplatz im französischen Saint-Paul-lez-Durance.cite-ref-22[22]
Spulen im VakuumgefĂ€Ă
An der Innenwand des VakuumgefĂ€Ăes, noch hinter den Blanket-Modulen, sind Spulen befestigt, mit denen das Plasma hochfrequenter beeinflusst werden kann. Es handelt sich um eine obere und eine untere VS-Spule (Vertical Stability) parallel zu den PF-Spulen und um 27 ELM-Spulencite-ref-23[23], drei pro Sektor. Diese Spulen sind normalleitend und haben eine Gesamtmasse von 7 Tonnen.
Pellet-Injektoren
Pellets aus gefrorenen Gasen werden mit Gasdruck in das Plasma geschossen â ein Gasstrahl allein wĂŒrde nicht weit kommen. ITER wird drei verschiedene Arten von Pellet-Injektoren einsetzen. Eine dient dem NachfĂŒllen von Brennstoff. Dazu werden mehrfach pro Sekunde Deuterium und Tritium abwechselnd oder als Gemisch in Form von kurzen Zylindern mit einigen Millimetern Durchmesser nah an das Zentrum des Plasmas geschossen.cite-ref-24[24] Um schĂ€dlich groĂe ELMs (Edge Localized Modes; PlasmainstabilitĂ€ten, die die GefĂ€Ăwand thermisch ĂŒberlasten können) zu vermeiden, werden regelmĂ€Ăig kleine ELMs ausgelöst, indem die OberflĂ€che des Plasmas mit sehr kleinen D2-Pellets beschossen wird.cite-ref-25[25] GroĂe Neon-Pellets (20 bis 50 g) sind gegen thermisches Durchgehen und Runaway-Elektronen vorgesehen mit Reaktionszeiten von 20 bzw. 10 ms.cite-ref-26[26]
Kryostat
Der Kryostat ist ein kesselförmiges VakuumgefĂ€Ă, das mit 29 m Durchmesser und Höhe auch die Spulen umschlieĂt. Er wird in vier Teilen eingebaut. Die Bodenplatte ist mit 1250 t das schwerste Einzelteil ĂŒberhaupt. Der Kryostat ist evakuiert, denn die heliumkalten Spulen mĂŒssten sonst einzeln isoliert werden, sowohl wegen der WĂ€rmeleitung durch Konvektion als auch gegen die Kondensation von Gasen. Der luftdichte Abschluss nach auĂen ist zudem eine zweite Barriere gegen Austritt von Tritium. Der Kryostat hat zahlreiche groĂe Ăffnungen mit nach innen gerichteten Stutzen, die die Stutzen des VakuumgefĂ€Ăes umschlieĂen.
Kryopumpen
Sechs der neun unteren Portale, auf Höhe des Divertors, fĂŒhren zu groĂen, trommelförmigen Kryopumpen, die das gebildete Helium und andere Verunreinigungen aus dem VakuumgefÀà entfernen sollen. Dabei wird auch der weit ĂŒberwiegende Teil des Deuteriums und Tritiums ungenutzt abgepumpt. Um bei dem niedrigen Druck und auf Heliumtemperaturniveau (s. u.) Helium binden zu können, befinden sich an der Innenwand der Kryopumpen hinter einem geschlitzten WĂ€rmeschild mit Aktivkohle beschichtete Absorber. Nach 3000 s Betriebszeit mĂŒssen die Absorber regeneriert werden. Dazu haben die Pumpen eingangsseitig Tellerventile von 0,8 m Durchmesser und 0,5 m Hub. Jeweils zwei der sechs Pumpen werden geschlossen, erwĂ€rmt und ausgepumpt. Auf dem höheren Druckniveau wird das Gas zum GebĂ€ude fĂŒr das Tritium-Handling geleitet. Zwei baugleiche Kryopumpen evakuieren den Kryostaten. Auch bei der Neutralgasinjektion werden Kryopumpen eingesetzt.cite-ref-27[27]
KĂ€lteversorgung
Die Supraleiter werden mit Helium gekĂŒhlt, mit hohem Druck und einer Eintrittstemperatur von 4,5 K. Dieser Zustand ist ĂŒberkritisch â die Dichte ist etwas geringer, die ViskositĂ€t viel geringer als bei flĂŒssigem Helium unter Normaldruck (Siedepunkt 4,15 K). Die supraleitenden Kabel fĂŒr die TF-, CS- und PF-Spulen haben einen zentralen KĂŒhlkanal mit einem Durchfluss von 8 g/s pro Spule. Auch das Strukturmaterial wird gekĂŒhlt, hier ist der Durchfluss einige Kilogramm pro Sekunde. Die abzufĂŒhrende WĂ€rmeleistung stammt wĂ€hrend des Fusionsbetriebs von Neutronen (bei 500 MW Fusionsleistung etwa 14 kW), vorher und nachher von Wirbelströmen im Strukturmaterial (kurzzeitig viel mehr, im Mittel jedoch ebenfalls 10 bis 20 kW). Die Kryopumpen werden ebenfalls mit flĂŒssigem Helium gekĂŒhlt. Die gesamte verfĂŒgbare KĂŒhlleistung auf dem 4,5-K-Niveau betrĂ€gt 65 kW.
Mit gasförmigem Helium auf einem Temperaturniveau von 80 K werden WĂ€rmeschilde gekĂŒhlt, die kĂ€ltere Teile vor WĂ€rmestrahlung schĂŒtzen. Auf diesem Temperaturniveau stehen 1300 kW KĂŒhlleistung zur VerfĂŒgung. WĂ€rmeschilde bedecken insbesondere die AuĂenseite des VakuumgefĂ€Ăes und die Innenseite des Kryostaten. Sie haben eine GesamtflĂ€che von etwa 4000 m2 und die aufgeschweiĂten KĂŒhlleitungen eine GesamtlĂ€nge von 23 km.cite-ref-heat-shield-28-0[28]
Stromversorgung
Der Energiebedarf fĂŒr die KĂŒhlanlagen, einschlieĂlich der UmwĂ€lzpumpen fĂŒr die WasserkĂŒhlkreislĂ€ufe, macht etwa 80 % der etwa 110 MW aus, die die gesamte Anlage wĂ€hrend der Betriebsphasen permanent benötigt. WĂ€hrend der Plasmapulse steigt der Bedarf fĂŒr bis zu 30 Sekunden auf bis zu 620 MW.cite-ref-29[29] Die Leistung wird aus dem öffentlichen Netz bezogen. Zu diesem Zweck hat Frankreich zwei redundante 400-kV-Leitungen zum 125 km entfernten Netzknoten bei Avignon samt Schaltanlagen errichtet. Die Leistungstransformatoren stammen aus den USA und aus China. Der kurzfristige Regelbedarf von 300 bis 400 MW erfordert eine enge Kooperation mit dem Netzbetreiber RTE.cite-ref-30[30]
Forschungsziele
Zeitplan
In den ersten Jahren soll die Anlage mit einem Plasma aus normalem Wasserstoff und Helium ohne Fusionsreaktionen betrieben werden. Viele rein plasmaphysikalische Fragen lassen sich so erforschen, ohne die Kontamination des GefĂ€Ăinneren mit Tritium und die Aktivierung von Materialien in Kauf zu nehmen. Erst fĂŒr den Nachweis des Netto-Energiegewinns und die Erprobung von Brutblanket-Modulen ist die Verwendung eines Deuterium-Tritium-Gemischs vorgesehen.
PlasmastabilitÀt
Die geladenen Teilchen bewegen sich wendelförmig um die magnetischen Feldlinien (Gyration). Diese sind aber bei den fĂŒr die angestrebte Fusionsleistung nötigen Dichten nicht unverĂ€nderlich (Minimierung der Feldenergie bei gegebenem Fluss), sondern das Plasma wirkt mechanisch auf das Feld zurĂŒck. PlasmainstabilitĂ€ten treten auf, wenn sich viele Teilchen in ihrer Bewegung synchronisieren. Teilchen koppeln miteinander nicht nur ĂŒber Schwingungen der Feldlinien, sondern auch elektrostatisch ĂŒber Raumladungen. FĂŒr eine effektive Kopplung sorgen Resonanzen. Wegen der NichtlinearitĂ€t der Kopplungen mĂŒssen Frequenzen nicht (nĂ€herungsweise) gleich sein, sondern es reichen ganzzahlige VerhĂ€ltnisse. Folgende Frequenzen spielen eine Rolle: die Gyrationsfrequenzen von Elektronen und Ionen und die Umlauffrequenzen von Elektronen, Ionen und von Plasmawellen um den kleinen und groĂen Torusumfang. Eine geschlossene Lösung ist nicht möglich, und die numerische Lösung ist ineffizient, da es sich um ein steifes Anfangswertproblem handelt. Es ist nicht nur der Frequenzbereich enorm groĂ, sondern auch die nötige rĂ€umliche Auflösung. Daher werden heuristische VorschlĂ€ge zur Stabilisierung des Plasmas in aufwĂ€ndigen Experimenten realisiert und praktisch erprobt.
Eine Art von PlasmainstabilitĂ€ten, die im Betriebsbereich von Fusionsreaktoren nach dem Tokamak-Prinzip (H mode) enorm stören, sind Edge-Located Modes (ELMs). Dabei bilden sich in Bruchteilen von Millisekunden schleifenförmige Ausbuchtungen, entfernt Ă€hnlich den Protuberanzen an der SonnenoberflĂ€che. Die zeit- und rĂ€umliche Konzentration (< 1 ms, < 1 m) eines Ausbruchs kann die Blanket-OberflĂ€che schmelzen lassen, und wiederholtes ELMen bedeutet fĂŒr das Plasma enorme Verluste von magnetischer und thermischer Energie und von Partikeln. Verschiedene AnsĂ€tze sind in Erprobung, ELMs zu unterdrĂŒcken oder wenigstens in ihren Auswirkungen zu begrenzen (Betrieb im ELMing H mode).cite-ref-31[31] Die meisten Methoden erfordern eine Beobachtung von Plasmaparametern mit hoher zeitlicher Auflösung und schnelle Reaktionen wie StromĂ€nderungen in lokalen Spulen, Einstrahlung inkohĂ€renter magnetischer Energie (Rauschleistung) im Frequenzbereich der Gyration der Ionen und Einschuss von Wasserstoff-Pellets.
Leistung
Es soll eine etwa 10-fache VerstĂ€rkung der eingesetzten Heizleistung, also eine Fusionsleistung von etwa 500 MWth erreicht werden. Damit ITER als erfolgreich gilt, muss dieser Zustand 400 Sekunden lang stabil bleiben. In einem anderen Betriebsmodus sind Brenndauern von bis zu einer Stunde vorgesehen bei einer LeistungsverstĂ€rkung von mindestens 5. Kurzzeitig und mit geringerer Heizleistung soll eine LeistungsverstĂ€rkung von ĂŒber 30 erprobt werden, wie sie fĂŒr kommerzielle Reaktoren vorgesehen ist.cite-ref-pitts-32-0[32]cite-ref-stac-33-0[33] Die Forschungen am ITER zur Brenndauer des Plasmas werden unter anderem am ASDEX Upgrade vorbereitet.cite-ref-34[34]
Standort
Seit 2001 wurde ĂŒber einen Standort fĂŒr den ITER beraten. Standortbewerbungen kamen aus Frankreich, Spanien, Japan und Kanada. Bis 2003 gab es auch eine inoffizielle deutsche Bewerbung mit dem ehemaligen Kernkraftwerk âBruno Leuschnerâ Greifswald in Lubmin bei Greifswald. Damit wĂ€ren die Anlagen fĂŒr das weltgröĂte Tokamak-Experiment in direkter Nachbarschaft zur Baustelle des weltgröĂten Stellarator-Experiments errichtet worden. Der ITER-Förderverband Region Greifswald unter FĂŒhrung des frĂŒheren MinisterprĂ€sidenten Alfred Gomolka reichte 2002 eine vollstĂ€ndige Standortbewerbung bei der Landesregierung Mecklenburg-Vorpommern ein.cite-ref-iter-standortbewerbung-vision-fusion-e-v-35-0[35] Die Bewerbung wurde jedoch von der EU zurĂŒckgewiesen, da das Land Mecklenburg-Vorpommern als Region nicht zu einer Bewerbung berechtigt war, die Bundesregierung hat eine Bewerbung aus KostengrĂŒnden abgelehnt.cite-ref-36[36] Im Sommer des Jahres 2003 zog Bundeskanzler Gerhard Schröder die Zusage des ehemaligen Kanzlers Helmut Kohl zur Bewerbung um den ITER-Standort zurĂŒck.
2005 konkurrierten noch Frankreich mit seinem traditionellen Kernforschungszentrum in Cadarache und Japan mit Rokkasho um den Standort. WĂ€hrend die USA, Japan und SĂŒdkorea den Standort Rokkasho bevorzugten, stimmten die EuropĂ€ische Atomgemeinschaft, die Volksrepublik China und Russland fĂŒr Cadarache. Im November 2004 beschloss der EU-Ministerrat fĂŒr die EURATOM einstimmig, ITER in Cadarache zu bauen, notfalls auch ohne die Beteiligung Japans, SĂŒdkoreas und der USA. Japan wurden Sonderkonditionen eingerĂ€umt, falls der Reaktor in Europa gebaut werden sollte, woraufhin Japan seine Bewerbung zurĂŒckzog. Am 28. Juni 2005 entschieden die beteiligten Staaten gemeinsam, den Reaktor in Frankreich zu errichten, das sich damit zu umfangreichen Investitionen in die Infrastruktur wie StraĂen, Stromversorgung, Datenleitungen sowie Wohnungen fĂŒr die zukĂŒnftigen Forscher und deren Familien verpflichtete.
Finanzierung
Am 21. November 2006 unterzeichneten die Projektteilnehmer im ĂlysĂ©e-Palast in Paris den endgĂŒltigen Vertrag, der auch die Finanzierung des Baus regelt. Teilnehmerstaaten sind neben der EuropĂ€ischen Atomgemeinschaft (EURATOM) die Staaten China, Indien, Japan, Russland, SĂŒdkorea und die USA. Der Vertrag trat am 24. Oktober 2007 in Kraft. Als Ausgleich fĂŒr die Wahl eines europĂ€ischen Standortes wurde Japan ein mindestens zehnprozentiger Anteil an den AuftrĂ€gen zur Ausstattung des Reaktors sowie die Förderung japanischer Forschung aus Mitteln der EURATOM zugesagt.
WĂ€hrend der Bauphase trĂ€gt die EuropĂ€ische Union respektive die EURATOM 5/11 bzw. 45,5 % der Gesamtkosten. Davon bringt Frankreich 40 % auf, entsprechend 2/11 der Gesamtkosten. Die ĂŒbrigen sechs Projektpartner tragen jeweils 1/11 bzw. 9,1 % der Gesamtkosten und damit den verbleibenden Kostenanteil von 6/11. Ein Teil davon wird von jeder Partei als Sachleistung erbracht, die unabhĂ€ngig von den endgĂŒltigen Kosten der Beschaffung und Lieferung zu erbringen sind. Die Kosten des Betriebs und der Deaktivierung werden zu 34 % von EURATOM getragen.cite-ref-kom2010-37-0[37] Die Schweiz zahlt den gröĂten Teil ihrer FinanzbeitrĂ€ge fĂŒr das Projekt ITER an die EU im Rahmen des am 5. Dezember 2014 unterzeichneten Abkommens ĂŒber die wissenschaftliche Zusammenarbeit zwischen der Schweiz und der EU. Der bis 2014 ausbezahlte Beitrag der Schweiz an den Bau von ITER betrĂ€gt 183 Millionen Schweizer Franken.cite-ref-sbfi-7-1[7]
Die Errichtung sollte zunĂ€chst gut 5,5 Mrd. Euro kosten (5,896 Mrd. EUR in Preisen des Jahres 2008). Schon im Juni 2008 mehrten sich Stimmen, die eine deutliche Kostensteigerung ankĂŒndigten.cite-ref-38[38] Im September 2008 erklĂ€rte der stellvertretende ITER-Direktor Norbert Holtkamp auf dem 25. Symposium zur Fusionstechnologie in Rostock, dass die ursprĂŒnglich geplanten Kosten um mindestens 10 Prozent steigen wĂŒrden, eventuell sogar um 100 Prozent. ZurĂŒckzufĂŒhren sei dies auf die stark gestiegenen Preise fĂŒr Rohstoffe und Energie sowie teure technische Weiterentwicklungen.cite-ref-39[39]
Im Mai 2010 teilte die EuropĂ€ische Kommission mit, dass sich laut einer aktuellen KostenschĂ€tzung ihr Anteil an den Baukosten von ehemals geplanten 2,7 Milliarden Euro auf 7,3 Milliarden Euro verdreifachen wird.cite-ref-kom2010-37-1[37] Die EU deckelte daraufhin die EURATOM-Mittel bei 6,6 Milliarden Euro. DarĂŒber hinausgehende Kosten will sie durch Umschichtungen aus dem Agrar- und dem Forschungsetat decken.
Die EU hat in ihrem âMehrjĂ€hrigen Finanzrahmenâ (MFR) 2021â2027 als Beitrag 6,1 Mrd. ⏠festgelegt.cite-ref-40[40] GegenĂŒber dem MFR 2014â2020 entspricht das einer Erhöhung um 81 %.
WĂ€hrend die ITER-Organisation keine KostenschĂ€tzungen abgibt, könnte nach einem Worst Case-Szenario des DOE aus dem Jahr 2014 der US-Anteil auf 6,5 Milliarden US-Dollar steigen. Dies wĂŒrde Gesamtkosten in Höhe von weit ĂŒber 50 Mrd. US-Dollar entsprechen.cite-ref-41[41]
Projekthistorie
Initiierung durch die Sowjetunion
Bei GesprĂ€chen mit den PrĂ€sidenten Frankreichs und der USA, François Mitterrand und Ronald Reagan, wurden 1985 aufgrund eines Vorschlages des sowjetischen Staatschefs Michail Gorbatschow eine Zusammenarbeit bei der Kernfusions-Forschung und der gemeinsame Bau eines Reaktors beschlossen.cite-ref-42[42] Die Planungen begannen 1988 im deutschen Max-Planck-Institut fĂŒr Plasmaphysik und fĂŒhrten 1990 zu einem ersten Entwurf des Versuchsreaktors. Bis 1998 wurde ein Entwurf (ITER I) mit den Eckdaten 8,1 m groĂem Torusradius und 1500 MW Fusionsleistung ausgearbeitet.cite-ref-ipp-2005-43-0[43]
ITER-Vertrag
Nachdem der ursprĂŒngliche Entwurf in eine kleinere (500 MW), kostenreduzierte Version von ITER mit geringeren technischen Anforderungen gewandelt wurde, gaben die teilnehmenden Parteien am 28. Juni 2005 nach langen Verhandlungen den Startschuss fĂŒr den Bau von ITER.cite-ref-ipp-2005-43-1[43] Der Beschluss umfasst den Bau eines Versuchsreaktors in Cadarache in SĂŒdfrankreich fĂŒr insgesamt knapp 5 Milliarden Euro. Die Betriebskosten ĂŒber die geplante Laufzeit des Reaktors von 20 Jahren wĂŒrden Ă€hnlich hoch sein. Am 21. November 2006 wurde in Paris der ITER-Vertrag von den sieben Partnern unter Teilnahme des damaligen französischen StaatsprĂ€sidenten Jacques Chirac unterzeichnet. Gleichzeitig fand die erste Sitzung des ITER Interim Council statt. Der Vertrag trat am 24. Oktober 2007 in Kraft, 30 Tage nachdem er vom letzten Vertragspartner China ratifiziert worden war.cite-ref-44[44]cite-ref-45[45]
Organisation
Jeder der sieben Partner richtet eine eigene nationale Organisation ein, welche die Aufgabe hat, die vertraglichen Verpflichtungen des jeweiligen Landes gegenĂŒber ITER zu erfĂŒllen. FĂŒr die EuropĂ€ische Atomgemeinschaft fĂ€llt diese Aufgabe der neu gegrĂŒndeten Agentur Fusion for Energy â The European Joint Undertaking for ITER and the Development for Fusion Energy mit Sitz in Barcelona zu.
Von deutscher Seite am Projekt beteiligt sind das Max-Planck-Institut fĂŒr Plasmaphysik (IPP) in Garching bei MĂŒnchen, das Institut fĂŒr Plasmaphysik (IEK-4) am Forschungszentrum JĂŒlich und verschiedene Institute des KIT. Weitere wissenschaftliche Zentren liegen in San Diego (USA) und Naka (Japan).
Das Aufsichtsgremium (IC, ITER-Council) hat seinen Sitz in Moskau.
Alle zwei Jahre wird das Management einer externen Evaluation unterzogen.cite-ref-madia-48-0[48] Das Ergebnis der Evaluation des Managements durch Madia & Associates im Jahr 2013 fiel so vernichtend aus, dass die ITER-Organisation den Bericht unter Verschluss halten wollte.cite-ref-49[49] The New Yorker hat die Executive Summary des Berichts veröffentlicht.cite-ref-madia-48-1[48] Die ITER-Organisation zeigt auf die Projektpartner: Das Management wĂŒrde dadurch erschwert, dass jeder der sieben Projektpartner mit RĂŒcksicht auf die heimische Industrie lieber Teile herstellt und liefert, als Geld zu ĂŒberweisen. In zĂ€hen Verhandlungen wĂŒrden Entwicklungs- und FertigungsauftrĂ€ge zerstĂŒckelt, mit dem Risiko, dass die Teile bei der Montage nicht zusammenpassen.cite-ref-50[50]
Baufortschritt
Anfang 2007 begannen die Vorbereitungen fĂŒr den Bau. 2009 war der Baugrund auf 42 Hektar plan. 2011 war die Baugrube fĂŒr den Hauptkomplex ausgehoben (Seismic Pit, 130Ă90Ă17 mÂł) und der Rohbau des ersten NebengebĂ€udes, der ĂŒber 250 m langen Poloidal Field Coils Winding Facility, fertiggestellt. Darin werden mit groĂer VerspĂ€tungcite-ref-bigotnature-47-1[47]cite-ref-52[52] die fĂŒnf gröĂten der ringförmigen Spulen fĂŒr das poloidale Magnetfeld gewickelt.cite-ref-53[53] Die Maschinen dafĂŒr wurden erst 2016 geliefert, montiert und mit einem Leiter aus Kupfer erprobt.cite-ref-54[54] 2012 wurde im Seismic Pit das 1,5 m dicke Fundament hergestellt. 2013 und 2014 wurde auf 2 m hohen, schwingungsdĂ€mpfenden Sockeln die 1,5 m dicke Bodenplatte gefertigt, die das ReaktorgebĂ€ude und die nördlich und sĂŒdlich angrenzenden GebĂ€ude fĂŒr das Tritium-Handling bzw. die Plasmadiagnostik erdbebensicher tragen soll. Der Hochbau des 7-stöckigen GebĂ€udes dauerte gut fĂŒnf Jahre.cite-ref-55[55]cite-ref-56[56] 2014 wurden das Kontroll- und Verwaltungszentrum bezogen und die temporĂ€re Kryostat-Montagehalle errichtet,cite-ref-57[57] in der seit 2016 die vier 30 m groĂen und 600 bis 1250 Tonnen schweren Teile des Kryostaten aus 54 von Indien gelieferten Einzelteilen zusammengesetzt werden, bis Juli 2019 zunĂ€chst der Boden und das untere ZylinderstĂŒck.cite-ref-58[58] Erste TF-Spulen wurden im Mai 2016 in Italien und Februar 2017 in Japan gewickelt und getempert.cite-ref-59[59]cite-ref-60[60] Ende Juni 2017 trafen aus Korea erste Teile eines von zwei Sector Sub-Assembly Tools (SSAT) ein.cite-ref-61[61] Mit diesen je 22 m hohen und 800 Tonnen schweren Montagevorrichtungen werden in der Montagehalle neben der Tokamak-Grube die neun Sektoren des Vakuum-GefĂ€Ăes mit WĂ€rmeschilden und je zwei Toroidalfeldspulen ausgerĂŒstet.cite-ref-62[62] Ende MĂ€rz 2020 wurde der BrĂŒckenkran zwischen Montagehalle und Tokamak-Grube einsatzbereit.cite-ref-63[63] Damit konnte die Montage des Reaktors am 28. Juli 2020 beginnen, fĂŒr die 4 1â2 Jahre angesetzt waren.cite-ref-64[64] Bis Mitte 2022 waren die beiden unteren Teile des Kryostaten, die Spulen PF6 und PF5 sowie vorĂŒbergehendcite-ref-65[65] das Sektormodul #6 installiert.cite-ref-66[66] 2023 wurden die Rohbauten fĂŒr das Neutral-Beam-Systemcite-ref-67[67] und die Tritium-Anlagecite-ref-68[68] fertig.
Verzögerungen im Zeitplan
Der Zeitplan fĂŒr die Konstruktion der Fertigungsanlagen und des Reaktors musste mehrfach revidiert werden. UrsprĂŒnglich sollte die Anlage 2016 den Betrieb aufnehmen. Kurze Zeit spĂ€ter ging man von 2019 aus. Anfang 2015 wurde der Franzose Bernard Bigot als Nachfolger des Japaners Osamu Motojima Generaldirektor von ITER. Bigot erklĂ€rte Ende 2015, dass ein erstes Plasma frĂŒhestens 2025 gezĂŒndet werden könne. Das DOE hielt 2028 fĂŒr realistischer. Jede Verzögerung wird die Versorgung mit Tritium erschweren, das aus zurzeit noch laufenden schwerwassermoderierten Kernspaltungsreaktoren stammt, aber mit zwölf Jahren Halbwertszeit zerfĂ€llt.cite-ref-69[69]cite-ref-70[70]cite-ref-71[71]
Im Juni 2016 legte Bigot einen detaillierten Plan vor, wie der frĂŒhere Termin gehalten werden könne, indem er das Ziel Ă€nderte: Erst nach einem eher symbolischen âersten Plasmaâ 2025 sollen die drei wesentlichen Heizsysteme installiert werden, im Wechsel mit relativ kurzen Experimentierphasen mit steigender Heizleistung und ab 2035 mit Tritium.cite-ref-72[72]cite-ref-73[73]cite-ref-74[74]cite-ref-75[75]
Auf diesen aufwendigen Wechsel soll nach dem im Juni 2024 beschlossenen Zeitplan verzichtet werden, um den Betrieb mit voller Leistung und mit Tritium möglichst rasch zu erreichen, 2036 bzw. 2039.cite-ref-zeit-juli-2024-2-1[2]cite-ref-physicsworld-juli-2024-3-1[3]cite-ref-76[76] Zwischenzeitlich waren bei drei der neun Sektoren der Vakuumkammer MaĂabweichungen von bis zu zwei Zentimetern festgestellt worden, sowie verbreitetcite-ref-77[77] Spannungsrisskorrosion an den WĂ€rmeschild-KĂŒhlleitungen, die ĂŒber ihre gesamte LĂ€nge erneuert werden mĂŒssen.cite-ref-heat-shield-28-1[28] Die Reparaturen an den Sektoren #6 und #7cite-ref-78[78] haben im MĂ€rz 2024 âernsthaft begonnen.âcite-ref-79[79]
Generaldirektoren
Nachdem ITER zunĂ€chst ab 2005 von dem japanischen Diplomaten und ehemaligen Botschafter Kaname Ikeda geleitet worden war, wurde 2010 dessen Landsmann Osamu Motojima, ein Physiker, sein Nachfolger als Generaldirektor. Er wurde von dem französischen Chemiker und Regierungsbeamten Bernard Bigot abgelöst, der am 5. MĂ€rz 2015 sein Amt antrat.cite-ref-80[80] 2019 verlĂ€ngerte der ITER-Aufsichtsrat Bigots Amtszeit um ein weiteres Mandat bis 2025. Bigot starb jedoch am 14. Mai 2022 im Amt. Seine Aufgaben ĂŒbernahm zunĂ€chst geschĂ€ftsfĂŒhrend sein bisheriger Stellvertreter Eisuke Tada,cite-ref-abcnews2022-81-0[81] bevor im September 2022 Pietro Barabaschi zum neuen Generaldirektor ernannt wurde.cite-ref-82[82]
Siehe auch
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Literatur
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Dokumentationen
Weblinks
Commons
: ITER
â Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: ITER
â BedeutungserklĂ€rungen, Wortherkunft, Synonyme, Ăbersetzungen
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Einzelnachweise
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43.7089065.77846coordinatesKoordinaten: 43° 42âČ 32âł N, 5° 46âČ 42âł O