De zon geeft het voorbeeld: vrijwel onuitputtelijke energie, gewonnen zonder risico’s en schadelijke restproducten. Met de inbedrijfstelling van de kernfusie-installatie Wendelstein 7-X komt het wetenschappelijk onderzoek weer iets dichter bij het doel om atoomkernen samen te smelten. Voor de isolatie van de drukcompensatieleiding maakte het Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald gebruik van het innovatieve cryogene polymeersysteem van Armacell.
Het is een oude droom van de mensheid om het energiesysteem van de zon op aarde bruikbaar te maken. Sterren als onze zon produceren energie door samensmelting van atoomkernen. Kernfusie belooft een vrijwel onbeperkte stroomproductie bij minimaal brandstofgebruik en zonder risico op catastrofale storingen. Anders dan bij kernsplitsing ontstaan hierbij slechts zeer lage hoeveelheden radioactiviteit. In scheikundig opzichtig is kernfusie mogelijk. Naar de toegepast-wetenschappelijke en technische haalbaarheid van energiewinning door kernfusie wordt al vele decennia onderzoek verricht.
Tokamaks en stellaratoren
Bij kernfusie smelten waterstofisotopen en ontstaat helium. Bij een druk van ongeveer 2 bar wordt waterstofgas verhit tot een temperatuur van 100 tot 150 miljoen graden celsius. Elektronen en atoomkernen worden op die manier gescheiden en in een elektrisch geleidend plasma gevoerd. De concepten die momenteel het meeste uitzicht op succes bieden, zijn reactoren als tokamaks en stellaratoren, die het plasma beheersen met sterke magnetische velden
De grootste stellarator ter wereld is van het Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald. Wendelstein 7-X maakt het mogelijk om continu fusieplasma magnetisch op te sluiten. De in 1997 begonnen nieuwbouw werd in april 2000 betrokken en stapsgewijs vanaf mei 2014 in bedrijf genomen.
Extreme kou voor supergeleiding
Stellaratoren creëren het magneetveld dat nodig is om het plasma op te sluiten met behulp van elektrische spoelen aan de buitenzijde van de plasmahouder. Bij Wendelstein 7-X zijn deze spoelen supergeleidend. Dit betekent dat de toegevoerde stroom zonder elektrische weerstand willekeurig lang kan stromen en het magneetveld op die manier continu in stand blijft. De spoelen worden hiervoor gekoeld met vloeibaar helium.
De supergeleidende spoelen en hun stalen draagconstructie moeten thermisch worden geïsoleerd van het hete plasma en van de omgeving. Volgens het beginsel van de thermoskan waarbij het koude object zich binnenin bevindt, worden ze in zogenaamde cryostaten gekoeld. De spoelen bevinden zich in een vacuümtank die enerzijds wordt gevormd door de plasmahouder en anderzijds door de ommanteling van de installatie. Cryoschilden omhullen de spoelen en houden – zelf gekoeld – de resterende warmtestraling bij ze weg. De toegang tot deze vacuümtank en tussen de supergeleidende spoelen door naar het plasma – bijvoorbeeld voor verwarming, koelleidingen of diagnose – is mogelijk dankzij 254 eveneens geïsoleerde, rond 1,8 m lange openingen. Dit zijn de zogenaamde ports. Voor de voeding van de stellarator dienen de helium-cryoinstallatie, waterkoelingssystemen, vacuümpompen en installaties voor de levering van elektrische energie.
Tijdens de experimenten moet ondanks de thermische isolatie 5 kW aan warmteproductie worden afgevoerd om de magneten en hun draagconstructie – rond 425 ton massa – op de supergeleidingstemperatuur gekoeld te houden. Deze permanente koeling wordt gerealiseerd dankzij de geleidbaarheid van de restwarmte van het isolerende materiaal. Bij temperaturen vlakbij het absolute nulpunt kan koeling niet meer worden gegenereerd door een gewone koelmachine, maar is vloeibaar helium nodig met een kookpunt bij 4,22 K (−268,93 °C). Dit koelsysteem moet extreem gasdicht zijn, zodat geen helium in het isolerende vacuüm van de stellarator intreedt en de daar aanwezige isolatie vermindert.
Een diep vacuüm, een twintiglaags hittereflecterend foliesysteem – MLI, bekend uit de ruimtevaart – en een metalen hitteschild vormen de thermische isolatie van cryostaten en spoelen tegen warmtestraling en -geleiding. Dit systeem, gebaseerd op gealuminiseerd Kapton-polyimide-folie haalt honderd procent hittereflectie. Kapton is bestand tegen temperaturen van -268 °C tot +400 °C. Aan de spoelzijde is een messing-schild voorzien, aan de plasmazijde een koperen gaasschild ingekapseld in glasvezelversterkt epoxy.
Isolatie drukcompensatieleiding
Voor de isolatie van de helium-drukcompensatieleiding zette de projectleiding het innovatieve diepkoelsysteem van Armacell in. Armaflex Cryogenic Systems zijn speciaal voor cryogene toepassingen ontwikkelde isolatiesystemen voor temperaturen van -180 tot +125 °C. De meerlaagse systemen garanderen een uitstekende thermische isolatie, verlagen het risico van corrosie onder de isolatie (CUI) en zijn beduidend eenvoudiger te installeren dan hardschuim. De kern van het isolatiesysteem is Armaflex LTD, een speciaal ontwikkeld polymeer dat thermische spanningen voorkomt. Armaflex Cryogenic Systems behouden hun flexibiliteit ook bij zeer lage temperaturen. Deze flexibiliteit garandeert absorptie van vibraties en schokken en voorkomt scheurvorming door extreme temperatuurcycli. Een wezenlijk voordeel van de lagetemperatuurschuimen ligt in het feit dat de systemen geen extra uitzetvoegen of dampremmingen nodig hebben.
Speciale isolatiestructuur
Op de drukcompensatieleiding van de stellarator van Wendelstein 7-X is een speciale isolatiestructuur gebruikt. Om beter bestand te zijn tegen de eventuele vibraties van de pijpen is telkens een laag Armaflex LTD antislijtagefolie direct op de leiding én op de eerste Armaflex LTD-isolatielaag aangebracht. Hierdoor krijgt de isolatie een nog hogere vastheid en functioneert het als extra dampremming. Hierna komen nog een laag Armaflex LTD en een derde isolatielaag van NH/Armaflex, het halogeenvrije elastomeer isolatiemateriaal van Armacell. Afsluitend is nog een laag Armaflex LTD-folie als extra dampremming aangebracht.
Bij de installatie is bijzonder veel aandacht besteed aan een precies passende en zuivere uitvoering. Alle lagen zijn stap voor stap aangebracht en door een projectingenieur gecontroleerd. Voor de bochten met verschillende radii is de betreffende afwikkeling eerst op papier gepint, uitgeknipt en vervolgens als sjabloon voor het plaatmateriaal gebruikt. De uitvoerende medewerkers van het Max-Planck-Instititut werden door Armacell voor het begin van het isoleren getraind in de toepassing van de producten, met name in correcte verlijming.
Grafische doorsnede van de plasmareactor met cryostaten (heliumkoeling), magneetspoelen, frame en plasmavat van Wendelstein 7-X (foto: Max Planck Institut für Plasmaphysik IPP te Garching/München). Alle helium-drukcompensatieleidingen van de helium-cryostaten zitten dik in Armacell Cryogenic Systems, met name LTD, om de supergeleiding van de spoelen te handhaven. De temperatuur, -268 °C, ligt vrijwel op het absolute nulpunt. In het plasmavat wordt onder 2 bar druk een temperatuur van 100 tot 150 miljoen Kelvin bereikt. Dat is tien maal zo hoog dan op de zon ‘zelf‘, waar de zeer hoge druk al bij 10 miljoen graden de kernfusie forceert.
Extreem hoge en extreem lage temperaturen. Om een kernfusie naar voorbeeld van de zon na te bootsen, is een plasmatemperatuur van 100 tot 150 miljoen K nodig. De supergeleidende magneetspoelen functioneren tegen het absolute nulpunt, gewaarborgd door isolatie van de helium-drukvereveningsleidingen met een meerlaagse opbouw met Armaflex Cryogenic Systems. Na twee lagen LTD met bijbehorende dampremmende LTD-folie voltooit een derde laag NH/Armaflex het systeem.
Een van de in totaal vijftig stellarator magneetspoelen voor Wendelstein 7-X. Foto: Max Planck Institut für Plasmaphysik IPP te Garching/München.
Alle lagen zijn exact op maat stap voor stap gemonteerd en gecontroleerd. Voor bochten met verschillende radii zijn geprinte mallen gebruikt. De isolatiemonteurs van het Max Planck Instituut zijn getraind in de verwerking van Armacell Cryogenic Systems, met bijzondere aandacht voor de verlijming.
