Das chinesische „Künstliche Sonne“-Projekt hat neue Fortschritte bei der Entwicklung supraleitender Magnete für Fusionsreaktoren erzielt. Am 27. Juni wurde die größte supraleitende Komponente der nationalen Großforschungsinfrastruktur „Comprehensive Research Facility for Fusion Technology“ (CRAFT) – der toroidale Feldmagnet – fertiggestellt und von Experten abgenommen. Gleichzeitig absolvierte der zentrale Spulenmagnet aus Hochtemperatursupraleitern erfolgreich Parameter-Tests unter Volllast, wobei die Kernleistung internationales Spitzenniveau erreichte. Die beiden Kernmagnete haben nacheinander entscheidende Meilensteine erreicht und damit eine umfassendere supraleitende Ingenieurgrundlage für den weiteren Bau von Fusionsreaktoren in China geschaffen.
Der toroidale Feldmagnet ist eine der Kernkomponenten des Fusionsreaktor-Hauptsystems und übernimmt die wichtige Aufgabe, das toroidale Magnetfeld aufzubauen und das Plasma einzuschließen. Die Kernfusion erfordert die Realisierung eines Plasmas mit Temperaturen von über hundert Millionen Grad Celsius. Normale Materialien können diesen extremen Zustand nicht direkt kontaktieren; daher muss ein starkes Magnetfeld das Plasma in der Vakuumkammer einschließen, um die Auswirkungen energiereicher Teilchen auf die Wand und Energieverluste zu reduzieren. Die Leistung des toroidalen Feldmagneten wirkt sich direkt auf die Magnetfeldstärke, die stabile Betriebsfähigkeit und die technische Skalierbarkeit der Fusionsanlage aus.
Der nun abgenommene toroidale supraleitende Magnet ist 21 Meter lang, 12 Meter breit und 3,3 Meter hoch und wiegt insgesamt 582 Tonnen. Er ist derzeit der weltweit größte supraleitende Magnet für Fusionsreaktoren. Sein Volumen ist 1,3-mal so groß wie das des toroidalen Feldmagneten des Internationalen Thermonuklearen Experimentalreaktors (ITER), und seine gespeicherte Energie ist dreimal so hoch. Die Kombination aus großer Größe, hoher Energiespeicherung und starker Einschlussfähigkeit stellt extrem hohe Anforderungen an Leitermaterialien, Isolationssysteme, strukturelle Stützen, kryogene Umgebungen, Wickelverfahren und die Gesamtmontagegenauigkeit.
Die Entwicklung des toroidalen Feldmagneten durchlief über sechs Jahre die Phasen Design, Fertigung, Test und Abnahme. Die gesamte Schlüsselkette des Magneten wurde inländisch autonom und kontrollierbar realisiert, wobei die Kern-Technologie zu 100 % im Inland entwickelt wurde. Im Laufe des Projekts wurden 47 Patente angemeldet und 14 Standards festgelegt. Für die Fusionsenergietechnik bedeutet dies, dass China bei Materialien, Fertigung, Verfahren, Tests und Systemintegration großer supraleitender Magnete für Fusionsreaktoren eine umfassende autonome Fähigkeit aufgebaut hat. Es handelt sich nicht mehr nur um die Verifizierung einzelner Technologien, sondern um den Übergang zur ingenieurtechnischen Auslieferung großer Komponenten.
Ein weiterer entscheidender Durchbruch war der erfolgreiche Abschluss der Parameter-Tests unter Volllast für den zentralen Spulenmagneten aus Hochtemperatursupraleitern. Die zentrale Spule dient dazu, den Plasmastrom zu induzieren und anzutreiben sowie die Einschlussform des Plasmas dynamisch zu regulieren. Sie fungiert als „Start- und Regelungskern“ der Fusionsanlage und muss unter Bedingungen mit starken Magnetfeldern, hohen Strömen und komplexen elektromagnetischen Kräften stabil arbeiten. Die Testergebnisse zeigen, dass die Spule stabil 60 kA führt, eine gespeicherte Energie von 6,03 MJ aufweist, eine maximale Magnetfeldänderungsrate von 5,1 Tesla pro Sekunde erreicht und einen Verbindungswiderstand von 0,87 nΩ hat. Die Schlüsselindikatoren und die Kernleistung haben internationales Spitzenniveau erreicht.
Der zentrale Spulenmagnet wurde von den supraleitenden Materialien über das Strukturdesign bis hin zu den kompletten Fertigungsverfahren vollständig im Inland entwickelt. Das Projektteam setzte eine spannungsableitende, hochfeste Stützstruktur und ein Design mit gemischten Hoch- und Tieftemperaturmagneten ein. Es konzentrierte sich auf die Entwicklung hochstabiler Magnete für Fusionsreaktoren und die Herstellung von Hochstrom-Hochtemperatur-Supraleiterleitern, um technische Herausforderungen wie strukturelle Festigkeit, Leiterstabilität, kryogenen Betrieb und Hochstromverbindungen unter extremen Betriebsbedingungen zu lösen. Nach Abschluss der Volllast-Tests verfügt der Magnet über die grundlegende Schlüsseltechnologie, um den zukünftigen Anlagenbetrieb zu unterstützen.
Supraleitende Magnete sind ein Schlüsselsystem für den ingenieurtechnischen Bau von Fusionsreaktoren. Ein Fusionsreaktor muss nicht nur die Plasma-Zündung und -Aufrechterhaltung erreichen, sondern auch über lange Zeit stabil arbeiten und mit der Vakuumkammer, dem Kryosystem, dem Stromversorgungssystem, dem Divertor, dem Blanket und dem Kontrollsystem zusammenwirken. Wenn das Magnetsystem die Anforderungen an Größe, Stromtragfähigkeit, Energiespeicherung, Stabilität und Lebensdauer nicht erfüllt, wird die spätere Skalierung der Anlage eingeschränkt. Die Durchbrüche bei den beiden Kernmagneten von CRAFT zeigen, dass China seine ingenieurtechnischen Fähigkeiten für den Übergang von experimentellen Anlagen zur Verifikation von Schlüsselsystemen von Fusionsreaktoren ausbaut.
Kernfusion wird als eine wichtige Richtung für zukünftige saubere Energie angesehen, aber ihre Herausforderungen liegen nicht nur in der Plasmaphysik, sondern auch in der Herstellung großer, komplexer Anlagen. Supraleitende Magnete müssen in einer extrem kryogenen Umgebung enorme elektromagnetische Kräfte tragen und gleichzeitig mit Vakuum-, Wärmeabschirmungs-, Kryo-, Stromversorgungs- und Kontrollsystemen integriert betrieben werden. Die Bedeutung der Abnahme des toroidalen Feldmagneten und des erfolgreichen Abschlusses der Volllast-Tests des zentralen Spulenmagneten aus Hochtemperatursupraleitern liegt darin, dass Schlüsselkomponenten von Konstruktionszeichnungen und lokalen Prototypen zu großformatigen, unter Volllast testbaren und abnahmefähigen technischen Einheiten vorangetrieben wurden.
Nach den neuen Durchbrüchen in der Entwicklung supraleitender Magnete für chinesische Fusionsreaktoren wird sich der nächste Schwerpunkt auf Systemintegration, Anlagenkopplung, Langzeitbetriebsverifikation und die Fähigkeit zur technischen Reproduktion verlagern. Die beiden Ergebnisse liefern technische Unterstützung für den Bau von Fusionsreaktoren in Form großer toroidaler Einschlussmagnetfelder und zentraler Stromantriebsmagnete. Sie werden auch Chinas Fähigkeiten zur unabhängigen Entwicklung und zum technischen Bau in den Bereichen Fusionsenergieausrüstung, supraleitende Materialien, Hochstromleiter, Kryotechnik und Hochpräzisionsfertigung verbessern.