Jahresbericht: Highlights 2023

Im Rahmen des Kollaborationsprojektes KC 4 (KIT-CERN Collaboration on Coated Conductor) konnte 2023 am ITEP erfolgreich eine HTS-Pilotproduktion in Betrieb genommen und entsprechende Forschungsarbeiten gestartet werden.  Im Rahmen des Projektes KC4 sind HTS Bandleiterbeschichtungsanlagen, die bei einem industriellen Supraleiterhersteller in den vergangenen Jahren mit großem Erfolg entwickelt wurden, an das KIT transferiert worden.

Damit wird es zukünftig möglich, am ITEP komplette HTS-Bandleiterarchitekturen für spezielle Anwendungsszenarien zu entwickeln und in einer Bandlänge von bis zu mehreren Hundert Metern zu produzieren, sodass zum Beispiel neue Spulenkonzepte getestet werden können. Mit dieser Erweiterung wird es ab 2024 in Europa erstmals an einem Forschungsinstitut möglich sein, aktuelle Kurzprobenmaterialentwicklungen mit den HTS-Bandlängenanforderungen von Anwendungsdemonstratoren direkt zu verbinden. Im Rahmen von KC4 werden in den kommenden Jahren spezielle HTS-Bandleiterarchitekturen, die industriell nicht verfügbar sind, für die Entwicklung von HTS-basierten Beschleunigermagneten und deren spezielles Anforderungsprofil entwickelt werden. Ebenso werden in KC4 breite HTS-Bandleiter hergestellt werden, die aktuell industriell nicht produziert werden und für die Entwicklung neuartiger Spulentopologien genutzt werden können. Dabei stützt sich KC4 bei der HTS-Bandleitersynthese auf die etablierte Kombination von ionenstrahltexturierten Metallsubstraten und deren Beschichtung mittels gepulster Laserdeposition (PLD) und Aufdampfverfahren. KC4 ist ein industrieunabhängiges Projekt, sodass es mittelfristig auch möglich wird, interessierten Forschungseinrichtungen und Firmen eine offen zugängliche Entwicklungsplattform für spezielle HTS-Bandleiterentwicklungen zur Verfügung zu stellen.

Der HTS-Beschichtungsprozess eines Coated Conductors besteht aus mehreren Einzelschritten, in denen neben der eigentlichen HTS-Schicht auch weitere Puffer- und metallische Deckschichten auf ein stark texturiertes Metallbandsubstrat geringer Dicke (<80 μm) aufgebracht werden (Abbildung 9). Alle relevanten Beschichtungsschritte für Bandlängen bis zu 30 m konnten im vergangenen Jahr erfolgreich in Betrieb genommen und qualifiziert werden. Eine Besonderheit des in KC4 verwendeten Beschichtungsprozesses ist, dass die zu beschichtende Bandlänge auf einen Zylinder aufgewickelt und rotierend in einer nahezu immer geschlossenen Ofenkammer mittels PLD beschichtet wird. In 1 μm dicken HTS-Beschichtungen konnten 2023 mit kritischen Stromdichten von >300 A/cm bei 77 K und Eigenfeld die erforderlichen Projektmeilensteine erreicht werden.

Seit März 2023 werden im Rahmen der KC4 Arbeiten nun routinemäßig HTS-Bandleiter für weitergehende Forschungsarbeiten synthetisiert und charakterisiert. Ein Schwerpunkt der Forschungsarbeiten liegt aktuell darin, die elektromechanischen Eigenschaften der Bandleiter und ihre Beziehung mit den zugrunde liegenden Beschichtungsprozessen zu verstehen.

Teilchenbeschleuniger sind energieintensive Anlagen, die wenig Flexibilität bei der Nachfrage bieten und hohe Anforderungen an die Stromqualität stellen. Andererseits streben sie aufgrund der hohen Energiekosten eine bessere Energieeffizienz an. Die RTSET-Gruppe hat zusammen mit dem Teilchenbeschleuniger KARA am KIT die Forschungsinfrastruktur KITTEN entwickelt, um diese Herausforderungen in Bezug auf Energieeffizienz und Stabilität in Beschleunigern anzugehen.

Infolgedessen wurde ein Horizon-Europe-Projekt „Research Facility 2.0“ im Wert von 5 Millionen Euro erfolgreich beantragt, das im Jahr 2024 anlaufen wird. In Zusammenarbeit mit fünf der größten Beschleuniger in Europa (ALBA, CERN, DESY, HZB, MAX IV) werden Themen der Energieeffizienz von der Komponenten- bis zur Systemebene sowohl für die Physik als auch für die Energietechnik untersucht und konkrete Lösungen vorgeschlagen, die in Demonstrationsanlagen an den Beschleunigeranlagen experimentell validiert werden.

Die RTSET-Gruppe wird sich auf das digitale Twinning von Beschleunigern konzentrieren, insbesondere für digitale Echtzeitanwendungen, sowie auf die optimale Platzierung, Auslegung und Steuerung von Technologien auf der Grundlage von Leistungselektronik und Energiespeicherung.

Im Rahmen des EU-CN-Kollaborationsvertrags im Bereich FUSION nimmt das ITEP an einer Messkampagne zur Untersuchung des Quench-Verhaltens von HTS-Fusionsleitern teil. Innerhalb dieses Programms sollen von mehreren Forschungszentren Proben mit kritischen Strömen von <= 15 kA bei 4 K und 11 T in der SULTAN-Anlage des Paul-Scherrer-Instituts in Villingen in der Schweiz getestet werden. Ziel der Testreihe ist das tiefere Verständnis der Quench-Ausbreitung in HTS-Leitern für Fusionsanwendungen.

Die Geometrie der Proben ist anlagenseitig vorgegeben: Sie besteht aus zwei geraden, circa 3,6 m langen Probenbeinen, die über einen Klemmkontakt in Reihe verschaltet sind. Der Strompfad beschreibt die Form eines „U“, wodurch sich beide Kontakte der Probe zur Anlage am selben Ende der Probe befinden. Jedes der beiden Beine wird durch einen separaten Helium-Kühlkreislauf gekühlt. Durch diesen Aufbau ist es möglich, für jedes Probenbein individuelle Prüftemperaturen einzustellen und gezielt einen Quench herbeizuführen. Dieser kann wahlweise durch einen Heizer oder eine Variation der Heliumtemperatur ausgelöst werden.

2023 wurden die letzten Schritte der Probenfertigung durchlaufen. Sie enthielten die Längsschweißung zum Schließen der beiden Edelstahlhalbschalen des Jackets, die Lötungen der Anschlusskontakte sowie die finale Montage der Probenbeine und des mechanischen Supports zum Abfangen der Lorentzkräfte von bis zu 165 kN/m während des Experiments.

Die beiden SubSize-Fusionsleiter bestehen aus verseilten HTS-CroCo-Tripletts. Parallel zur Probenfertigung wurde ein Temperaturmesssystem auf Basis von Fiber-Bragg-Gratings aufgebaut und von 3,8 bis 400 K erprobt. Dieses Verfahren ermöglicht eine hohe Sensordichte bei wenig Platzbedarf, Abb. 19: Ergebnisse der Ic-Messungen entlang der Probe. Der Unterschied zwischen den Probenbeinen #A und #B rührt von Unterschieden im Layout der Teilleiter. Im Gegensatz zu Bein #A ist der kreuzförmige Stack des CroCo-Leiters im Bein #B zusätzlich vertwistet. Der Kern besteht aus einem CroCo-Triplett, wobei an jeden CroCo jeweils ein Kupferprofil zur Stabilisierung angelötet ist. Das Jacket besteht aus zwei Edelstahlhalbschalen. wodurch eine Temperaturmessung direkt am Supraleiter im Inneren der Probe ermöglicht wird. Eine Kaskade an Spannungsabgriffen und Temperatursensoren, sowohl im Inneren als auch auf dem Jacket, soll eine möglichst genaue Beobachtung der Quench-Ausbreitung ermöglichen.

Am Ende des Jahres wurde nach Fertigstellung der Probe ein Funktionstest bei 77 K erfolgreich durchgeführt. Der kritische Strom sowie alle elektrischen Kontakte entsprechen den Erwartungen beziehungsweise lagen innerhalb der Vorgaben für eine erfolgreiche Testkampagne in SULTAN. Der kritische Strom der beiden Beine lag bei circa 4800 A und 4500 A. Der Erwartungswert lag bei 4800 A ohne Berücksichtigung der Magnetfelder benachbarter CroCos. Im Frühjahr 2024 stehen nun noch zwei Abkühlzyklen bis 4,2 K zum Kalibrieren der Glasfaserthermometer sowie die finale Dichtheitsprüfung vor dem Versand in die Schweiz an.

In einem mehrjährigen Projekt wurde am Institutsbereich Vakuumtechnik das Divertorpumpsystem für die Fusionsmaschine JT-60SA in Japan konzipiert, konstruiert und schließlich zusammen mit Fusion for Energy und Industriepartnern gebaut und erfolgreich abgenommen. JT-60SA (Abbildung 10) ist mit einem Plasmavolumen von etwa 130 m³ der größte supraleitende Tokamak nach ITER und verfolgt das ultimative Ziel, die offenen Fragen zum Langpulsbetrieb eines Tokamaks endgültig zu klären.

Die Großanlage steht in Naka, Japan am Standort der früheren Versuchsanlage JT60U. Sie läuft derzeit in der ersten Betriebsphase. 2024 wird die Maschine mit weiteren technischen Systemen nachgerüstet werden. Dazu gehört auch ein leistungsfähiges Divertorpumpsystem, für dessen Bereitstellung sich der Vakuumbereich zusammen mit der Fusionsagentur ‚Fusion for Energy‘ verantwortlich zeichnet.

Das Pumpenprojekt lässt sich in drei verschiedene Phasen einteilen.

1. Konzeptfindungsphase (2012–2017). Das Projekt JT-60SA wurde 2007 im Rahmen des „Broader Approach“-Abkommens zwischen der EU und Japan initiiert. Bereits seit 2012 ist der Vakuumbereich in die Entwicklung des wissenschaftlichen Programms und in die Festlegung der dafür benötigten Technologien eingebunden. Im Zuge dieser Arbeiten wurden die Anforderungen an das Divertorpumpsystem festgelegt. Abweichend von dem ursprünglichen Plan, Kryokondensationspumpen zu verwenden, wurde 2017 die Entscheidung zugunsten eines Kryosorptionssystems mit aktivkohlebeschichteten 4-K-Pumpflächen getroffen. Dazu waren umfangreiche Rechnungen nötig, um das Betriebsfenster der Pumpen vorherzusagen sowie eine erste Kostenschätzung zur Plausibilisierung des zum Bau nötigen Aufwands abzuleiten.
2. Designphase (2017–2020). In mehreren Entwicklungsstufen mit entsprechenden Designreviews wurden schließlich ein 3DCAD-file mit allen Einzelteilen (Abbildung 11) sowie ein Satz von 2D-Herstellungszeichnungen entwickelt. Auf der Basis dieses Designs führte ‚Fusion for Energy‘ eine Ausschreibung durch und beauftragte schließlich den deutschen Hersteller Research Instruments.
3. Herstellungsphase (2021–2023). Insgesamt wurden zehn baugleiche Kryopumpen hergestellt, zusammen mit einer ‚Übungs‘-Kryopumpe zur Validierung der Herstellungsschritte und ihrer Prüfverfahren. Abbildung 12 zeigt die zentralen Elemente der Kryopumpe. Dies sind als Herzstück die Kryopanel, von denen in jedem ‚Pumpflügel‘ zwei eingebaut sind. Sie sind mit Aktivkohle beschichtet, sodass bei der vorgesehenen Betriebstemperatur von 3,8 K gut Helium gepumpt werden kann. Auf der Rückseite der Panel befindet sich ein geschlossenes thermisches Schild bei 80 K Im Verlauf der Herstellung musste eine Reihe von einzelnen Fertigungsschritten neu entwickelt werden. Dennoch war es am 3. Oktober 2023 so weit: Alle Kryopumpen waren nach Japan geliefert und hatten die Eingangsinspektion erfolgreich überstanden.

Die Inbetriebnahme von JT-60SA ist aktuell im Gang, und am 23. Oktober 2023 wurde ein erstes Plasma erzeugt. Der JT-60SAForschungsplan deckt die Lebensdauer der Anlage von ungefähr 20 Jahren ab. Dabei wird die Verwendung der Divertorvakuumsysteme zur Kontrolle des Plasmas eine zentrale Rolle spielen.