ITER: Eine äußerst komplexe Maschine

Der „International Thermonuclear Experimental Reactor“ (ITER) ist der erste Prototyp eines Kernfusionsreaktors, der die wissenschaftliche und technologische Machbarkeit der Fusionsenergie für friedliche Zwecke aufzeigen soll. Eine der vielen technischen Herausforderungen dieser äußerst komplexen Maschine besteht darin, ein Plasma von einigen Millionen Grad Celsius in einem magnetischen Feld (Tokamak-Konzept) zu halten, das durch supraleitende Magnetspulen erzeugt wird, die bei -269 °C betrieben werden. Größenordnungen: Gesamtmasse von ca. 23 Tausend Tonnen, Ausgangsleistung 500 MW. Die Masse einer Toroidalfeldspule (TF-Spule) von 360 Tonnen entspricht dem Abfluggewicht einer Boeing 747. Aufgrund seiner Flexibilität und Effizienz wird das Finite-Elemente-Programm Ansys im Rahmen des ITER-Projekts genutzt für die ingenieurstechnische Modellierung des Reaktors. Durchgeführt wird eine mechanische (lineare und nichtlineare), thermische, dynamische und elektromagnetische Analyse. Eine Simulationsaufgabe ist das Nachvollziehen des Anschlussbereichs der TF-Spule. Lorentz-Kräfte an den Stromleitern verursachen eine hohe Belastung der tragenden Struktur. Sie machen eine strukturelle Bewertung des Verbindungsbereichs (z.B. an Schrauben und Gehäuse) erforderlich.

• Gewinn eines effizienten Workflows zur Lastübertragung aus den Magnetfeldberechnungen des kompletten Spulensystems bis hin zum detaillierten Analyse-Modell der Versorgungsanschlussbereiche.
• Statische Analyse und Materialermüdungsbeurteilung nach ITER-Kriterien für mehrere Komponenten, wie z.B. der Stromleiter und der Schraubverbindungen

• Aufbau eines elektromagnetischen Modells in Ansys für die Analyse des Magnetfeldes und die Übertragung von Lorentz-Kräften auf das nichtlineare Strukturmodell unter Berücksichtigung von Kontakt und großen Verformungen.
• Auswertung der Verformungen und Durchführung einer statischen Analyse sowie einer Materialermüdungsbeurteilung nach speziellen Kriterien.