Mehrkreisregler – Kernfusionsreaktor Wendelstein 7-X

11. März 2016

Konrad Riße wurde auf der Suche nach einem günstigen, aber zuverlässigen Mehrkreisregler mit verfügbarer Visualisierung bei der Feller Engineering GmbH fündig. Herr Riße ist Projektleiter beim Institut für Plasmaphysik im Max Planck Institut Greifswald. Dort sind 500 Mitarbeiter seit den frühen 90er Jahren an einem der derzeit größten Forschungsprojekte Deutschlands beschäftigt: Dem Kernfusionsreaktor Wendelstein 7-X.

MPI

Wendelstein 7-X wird nach der Fertigstellung die weltweit größte Fusionsanlage vom Typ Stellarator sein. Ihre Aufgabe ist es, die Kraftwerkseignung dieses Bautyps zu untersuchen. Bei solch einem Kraftwerk wird versucht, die durch Kernfusion stattfindende Energiegewinnung der Sonne nachzubilden. Erst bei Einhaltung des so genannten Lawson-Kriteriums erhält man ein zündfähiges, energieabgebendes Plasma. Hierzu müssen drei Faktoren erfüllt werden. Einer dieser Faktoren ist die Temperatur des Plasmas, ein anderer die Materialdichte. Im Kern der Sonne herrschen 15.000.000°C, jedoch eine auf der Erde niemals zu erreichende Dichte. Um diese mangelnde Dichte zu kompensieren, wird das Plasma im Wendelstein 7-X auf das 10 fache der Sonnentemperatur aufgeheizt: 150.000.000°C!

Atomfusionsreaktor Wendelstein 7-X

Das aus Wasserstoff oder Deuterium bestehende Plasma wird mit einem extrem starken Magnetfeld von 3 Tesla in einem torusförmigen Vakuumgefäß im Umlauf gehalten. Hierzu sind insgesamt 50 speziell geformte Magnetspulen erforderlich. Diese Spulen müssen supraleitende Eigenschaften aufweisen und daher auf -270°C gekühlt werden. Der Abstand zwischen diesen Spulen und dem auf viele Millionen Grad aufgeheizten Plasma beträgt dabei gerade einen Meter. Wiederum eine enorme Herausforderung an die Isolierung der Außenwände.

Ein nicht unerheblicher Teil der Anlage stellen elektrische Zusatzbeheizungen dar, welche in Form von isolierten Heizmatten das Vakuumgefäß sowie Stutzen und Pumpen auf Betriebstemperatur von etwa 160°C halten. Dieses Temperieren beseitigt die Verunreinigung der Anlagenteile, die in Form von Ölen, Fetten, kondensierten Dämpfen und weiteren Reaktionsprodukten auftritt. Erst danach kann das gewünschte Vakuum von 10-8 mbar erreicht werden.

Und genau hier kommt der Mehrkreisregler FP1600 zusammen mit der Prozessvisualisierung Visual Fecon zum Einsatz. Insgesamt 380 Regelkreise werden von 5 identisch aufgebauten Steuerschränken mit jeweils einem FP1600 geregelt und überwacht. Mit in der Summe 25 Kilometer speziell angefertigten Kabel höchster Güte werden die Heizmatten mit integriertem PT100 Element angeschlossen, um eine absolut störungsfreie Temperaturerfassung in solch einem extremen Umfeld zu ermöglichen.

Temperatur-Regelsystem FP1600 für 112 Regelzonen

Prozessvisualisierung Visual Fecon

Neben der eigentlichen Temperaturregelung erfasst der FP1600 die jeweilige Netzspannung sowie den aktuellen Heizstrom, die Schaltschranktemperatur sowie den Status der Sicherheitsabschaltung. Insgesamt werden 132kW Leistung für die Zusatzbeheizung benötigt.

Die Temperaturregler werden über Lichtleiter miteinander vernetzt und dann mit dem Zentralrechner der Anlage verbunden. Auf diesem läuft Visual Fecon, eine speziell auf diese Regler abgestimmte Software für die Bedienung aller Kreise und deren übersichtlichen Visualisierung.

Im großen Kontrollraum der Versuchsanlage, in dem mehr als hundert Arbeitsplätze mit großformatigen Monitoren eingerichtet sind, lässt sich Fecon bei Bedarf auf jeden einzelnen Platz zuschalten. Mitarbeiter des Instituts haben über die integrierte Fecon Prozessbild-Funktion übersichtliche Grafiken der Anlage eingebunden, die eine genaue Lokalisierung der jeweiligen Heizkreise ermöglicht. Alle Prozesswerte der Zusatzbeheizung werden sekündlich in der Fecon-Datenbank protokolliert und erlauben eine zuverlässige Auswertung in Kurvenform.

Für Konrad Riße war bei der Auswahl des Systems ein entscheidendes Kriterium, Regelung und Visualisierung komplett aus einer Hand zu erhalten. Zusammen mit dem günstigen Preis und dem einfachen, modularen Aufbau des Temperaturreglers fühlt sich Herr Riße bei Feller Engineering bestens aufgehoben. Kurze Dienstwege beim Erreichen des technischen Supports und der ein- oder anderen umgehend erfüllten Sonderfunktion ließen am Ende keinen Wunsch mehr offen.