Schweißtechnik trifft Forschung Elektronenstrahlschweißen unterstützt Fusionsreaktorforschung

Autor / Redakteur: Stefanie Köhr / Peter Königsreuther

Am Mega-Projekt ITER arbeiten heute 35 Nationen, sagt pro-beam. Damit die Fusion funktioniert, braucht es schwerste Teile aus Sonderlegierungen, die man per Elektronenstrahltechnik von pro-beam schweißt.

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Der Fusionsreaktor ITER soll die Energieversorgung der Zukunft sichern. Er fungiert dann quasi als künstliche Sonne. Spezielle Chrom-Nickel-Stähle gehören zu den für die einwandfreie Funktion nötigen Werkstoffe. Um tonnenschwere Teile aus diesen Materialien sicher zu schweißen, setzt man auf das Elektronenstrahlschweiß-Know-how von pro-beam aus Gilching.
Der Fusionsreaktor ITER soll die Energieversorgung der Zukunft sichern. Er fungiert dann quasi als künstliche Sonne. Spezielle Chrom-Nickel-Stähle gehören zu den für die einwandfreie Funktion nötigen Werkstoffe. Um tonnenschwere Teile aus diesen Materialien sicher zu schweißen, setzt man auf das Elektronenstrahlschweiß-Know-how von pro-beam aus Gilching.
(Bild: ITER-Organization)

Aktuell leben 7,6 Milliarden Menschen auf der Erde. Für das Ende des Jahrhunderts sind 11 Milliarden Erdenbewohner vorhergesagt. Mit der Zunahme der Weltbevölkerung steigt auch der tägliche Energieverbrauch. Das Forschungsprojekt, das am ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) im südfranzösischen Cadarache derzeit errichtet wird, soll der Menschheit den Weg zu einer klimafreundlichen, effizienten und ungefährlichen Energiequelle ebnen. Die Technologie des Elektronenstrahls spielt im Rahmen des Experiments eine tragende Rolle.

Die Hitze der Sonne einfangen

Am Mega-Projekt ITER arbeiten heute 35 Nationen, darunter Europa, Russland, die USA und China. Das Magnetfusionsgerät soll die Machbarkeit der Fusion als großflächige und kohlenstofffreie Energiequelle auf unserem Planeten beweisen und das Prinzip der Sonne imitieren. Kernbestandteil des internationalen Experimentalkraftwerks ist ein gigantischer Donut-förmiger Reaktor: Dieser beinhaltet einen circa 8000 t schweren Vakuumkessel aus Chrom-Nickel-Stahl, eine spezielle Anfertigung mit einer eigens für ITER spezifizierten Güte. Darin wird ein starkes Magnetfeld zukünftig 1 g Deuterium-Tritium-Gas auf engen Schraubenbahnen halten. Dieses Gas wird auf 150 Mio. °C erhitzt und in den Plasmazustand gebracht. Das Plasma ist dadurch heißer als die Sonne selbst, wodurch deren Prinzip des Energieausstoßes nachgebildet werden kann.

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Neuland für das Elektronenstrahlschweißen

Um den in Zukunft vorherrschenden Kräften Stand halten zu können, wurden fünf der neun Sektoren des Kessels mit der Technologie des Elektronenstrahls von pro-beam geschweißt. „Noch nie zuvor wurde der Elektronenstrahl im nuklearen Druckbehälterbau eingesetzt. Dementsprechend viel Überzeugungsarbeit mussten wir vor zwanzig Jahren leisten, als wir unsere Technologie als geeignetste Lösung für die geplanten Schweißaufgaben vorstellten. Zudem musste sogar das französische Nuklear-Regelwerk RCC-MR extra an den Elektronenstrahl angepasst werden“, erklärt Dr. Thorsten Löwer, CTO bei der pro-beam Gruppe. Im Jahr 2001 integrierte Fusion for Energy den deutschen Spezialisten in die Entwicklung der Fertigungsstrategie. Denn die positiven Eigenschaften der Technologie überzeugten die Entscheider. Zudem verfügt pro-beam über die größte zivile Schweißanlage weltweit und war damit in der Lage, auch die maschinelle Grundlage für die bis zu 12 m hohen und 5 m weiten Komponenten zur Verfügung zu stellen.

Die Schweißanlage beeinflusste die Entwicklung der verschiedenen Sektoren enorm. Nach zahlreichen Machbarkeitsstudien und Probeschweißungen an Versuchsteilen für verschiedene Komponenten der Anlage, konnten im Jahr 2017 die finalen Schweißungen des Kessels gestartet werden.

Tonnenschwere Teile relativ schnell fügen

Aufgrund der Zusammenarbeit mit internationalen Unternehmen muss im Rahmen des gesamten Projekts ein strenger Zeitplan eingehalten werden. Denn die Teile werden vor und nach den Schweißungen an anderer Stelle weiterbearbeitet. Dank der hohen Energiekonzentration im Fokuspunkt des Elektronenstrahls, welche eine hohe Leistungsdichte ermöglicht, sind sehr schnelle Schweißgeschwindigkeiten möglich. Diese Schnelligkeit und die damit einhergehende hohe Produktivität und Effizienz sind bis heute wichtig, um im Zeitplan zu bleiben. Zudem unterstützen die im Unternehmen implementierten robusten Organisationsstrukturen die Einhaltung der Zeitvorgaben sowie der hohen Qualitätsstandards des Nuklear-Codes.

Fast keine Schweißnaht gleicht der anderen

Eine weitere Herausforderung sind die Schweißaufgaben selbst: Anders als bei einer normalen Auftragsfertigung, bei der meist mehrere tausend Teile vom gleichen Typ gefertigt werden, ist in diesem Fall jede Aufgabe anders, immer wieder müssen sich die Schweißer auf neue Nähte einlassen: von Bauteilen mit einer Nahtlänge von 240 mm bis hin zu 6 m. Darüber hinaus wurde noch nie zuvor ein Forschungsprojekt dieser Größenordnung durchgeführt, deshalb müssen immer wieder Verzögerungen in Kauf genommen werden. „Das Projekt ist höchst anspruchsvoll, sowohl aus technischer als auch aus organisatorischer Sicht. Dennoch sind wir stolz darauf, am größten Experiment der Menschheit mitzuarbeiten. Zudem sehen wir uns, aufgrund der gesammelten Erfahrungen, für zukünftige Projekte eines solchen Ausmaßes mehr als gewappnet“, so Löwer.

Nichts geht ohne digitale Unterstützung

Bei der Elektronenstrahltechnologie laufen sämtliche Prozesse digital ab, von der Nahtsuche bis zur Kontrolle. Die Naht wird anschließend in einem Durchgang und mit höchster Präzision und Genauigkeit geschweißt. Darüber hinaus wird vergleichsweise wenig Energie in das Bauteil gebracht, wodurch nahezu verzugsfrei geschweißt werden kann und eine extreme Langzeitstabilität sowie eine hohe Maßhaltigkeit realisiert werden können. Letzteres ist für die Passgenauigkeit der meterlangen ITER-Bauteile höchst entscheidend – Verzug darf höchstens im Millimeterbereich oder darunter stattfinden.

Am Ende werden es 2400 m Schweißnaht sein

Der Prozess des Schweißens findet im Vakuum statt, wodurch die Naht besonders rein bleibt und Nahtfehler minimiert werden. Bei diesem speziellen Projekt werden die Nähte im Nachgang außerdem in einem Röntgenbunker geprüft.

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Nach Abschluss des Projekts im Frühjahr 2020 wird pro-beam insgesamt 470 Komponenten mit mehr als 1800 Schweißnähten und über 2,4 km Naht geschweißt haben. In Betrieb genommen wird der experimentelle Reaktor nach derzeitigem Stand erstmals im Jahr 2025.

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