Supraleitende Magnete

In einem Fusionsreaktor wird das 100 Mio Grad heiße Plasma in einem Magnetfeld eingeschlossen, um einen Kontakt mit der Wand des Vakuumgefäßes zu verhindern. Zum Betrieb des Experimentalreaktors ITER muss das Magnetfeld 5 Tesla betragen und halten. Im Demonstrationsreaktor DEMO wird ein größeres Magnetfeld von 11-13 Tesla benötigt. 
Um so große Magnetfelder zu bilden, werden Spulen über eine Heliumkühlung und ein umgebendes Isoliervakuum auf supraleitende Temperatur gekühlt. Im supraleitenden Zustand, verliert der Spulendraht seinen Widerstand und der durchfließende hohe Strom wird weitestgehend verlustfrei zum Aufbau des Magnetfeldes genutzt. Durch den hohen Strom wirken jedoch sehr große Kräfte auf die Tieftemperatur-Magnete. Die dadurch entstehenden Spannungen können sich im Betrieb negativ auf die Stabilität der Kabelhüllmaterialien auswirken sowie durch Wirbelbildung im Spulenleiter zum Zusammenbruch des Magnetfeldes führen (Quench). Die hierbei entstehenden transiente Spannungen können die Spule zerstören, wenn keine geeignete Schutz-Isolation vorhanden ist.

Seit den '70er Jahren testet und entwickelt das KIT supraleitende Magnete, Leiter und HV-Komponenten. In speziell entwickelten Testständen können Betriebsgrenzen analysiert und mögliche Störfälle simuliert werden. Nicht messbare Größen wie transiente Spannungsspitzen werden über komplexe Simulationen ermitteln. Mit dem Bau der ITER TF Spule konnte auf Grund erfolgreicher Tests bereits begonnen werden.

Für Fusionsmagnete der nächsten Generation entwickelt das KIT Konzepte für HTS Spulenkabel. Im Gegensatz zu NB3SN Leitern, die in der ITER TF Spule verwendet werden, werden HTS Materialien bereits bei Tc < 77 K supraleitend. Durch die höhere Betriebstemperatur reduziert sich die notwendige Kälteleistung für den Magneten drastisch und die Spule wird weniger komplex. Zum Erreichen der HTS-Betriebstemperatur ist nur noch eine Flüssigstickstoffkühlung notwendig. Auf die für T<4,2K zusätzliche Heliumkühlung kann verzichtet werden.