Grundlagen: Quench
Eine der Voraussetzungen für den Betrieb eines Fusionsexperiments wie z. B. des ITERs oder des DEMOs ist, dass das supraleitende Spulensystem auf flüssige Heliumtemperatur (4,2 Kelvin, bzw. -269°C) abgekühlt wird und dass keine der supraleitenden Spulen, aufgrund eines Eintrages von Wärme, quencht. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Unter Quench versteht man den plötzlichen Übergang eines Supraleiters vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand infolge Überschreitung der Sprungtemperatur. Hierbei entstehen auf Grund des nun endlichen Widerstandes hohe Spannungen und sehr viel Wärme, was zu Überschlägen durch die elektrische Isolation und in seltenen Fällen bis zur Zerstörung des Supraleiters führen kann. Das dabei verdampfende Kühlmittel kann durch den entstehenden Überdruck das Kryostatgefäß sprengen. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Grund für einen Quench ist der Wärmeeintrag in das supraleitende Spulensystem über den Verlust des isolierenden Vakuums in Kryostaten, durch Wärmestrahlung, durch Wärmeleitung, durch mechanische Bewegungen oder durch fehlerhafte Supraleiter-Klemmverbindung. Durch diese Wärmeeinträge wird flüssiges Helium der Art erwärmt das flüssiges Helium verdampft. Dieses bedingt, dass der Supraleiter nicht mehr gekühlt wird und dass dieser beim Überschreiten der kritischen Sprungtemperatur (Tc) der Supraleiter quencht. Aufgrund der Erwärmung kommt es zu einer lawinenartigen Verdampfung von flüssigen Helium, so dass der Supraleiter, aufgrund der fehlenden Kühlung, durchbrennt. Eine Vorrichtung, die verhindern soll, dass die Supraleiter des Spulensystems nicht durchbrennen ist, die Quench-Detection. Der Quench muss zuverlässig detektieren werden. Des Weiteren muss die Spule schlagartig spannungsfrei geschaltet werden und der Strom des magnetischen Feldes abgefahren werden. Aus technischer Sicht kann beim Wendelstein 7-X gesagt werden, dass beim Betrieb des Wendelsteines mit maximaler magnetischer Leistung, bei einem Quench, dieser nicht zuverlässig genug erkannt werden wird und eine hohe Gefahr besteht, dass die Supraleiter der Spulen durchbrennen. Neben der Gefahr des Durchbrennens der Supraleitung wird der Druck im supraleitenden Spulensystem der Art ansteigen, dass das supraleitende Spulensystem unter Umstanden zerberstet. Dieses war auch der Grund warum der supraleitende Teilchenbeschleuniger CERN durch eine fehlerhafte Klemmverbindung, wodurch der Supraleiter im Bereich der Supraleitende-Klemmverbindung sich so stark erwärmt, dass flüssiges Helium verdampft wurde und durch die explosionsartigen Ausdehnung ein tonnen-schweres Segment des Teilchenbeschleunigers CERN aus ihrer Verankerung gerissen wurde.
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Dipl.-Ing Robert Brockmann. Archiv |