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Die Hochtemperatur-Helium-Versuchsanlage (HHV-Anlage) ist Bestandteil des Entwicklungsprogramms für einen Hochtemperaturreaktor mit Heliumturbine großer Leistung (HHT-Projekt). Ziel des Projektes ist das Aufzeigen des technischen und wirtschaftlichen Potentials sowie der Realisierbarkeit von Kernkraftwerken mit Hochtemperaturreaktor und Heliumturbine. Die Arbeiten des HHT-Projektes werden mit Förderungsmitteln der Bundesrepublik Deutschland, des Landes Nordrhein-Westfalen und der Schweizerischen Eidgenossenschaftin Zusammenarbeit von 8 Partnern aus der Bundesrepublik, der Schweiz und den USA durchgeführt. [...]

Dieser Bericht ist im Rahmen der von der öffentlichen Hand in der Bundesrepublik Deutschland und der Schweiz geförderten Entwicklung von Kernkraftwerken mit Hochtemperaturreaktor und Heliumturbine großer Leistung (HHT-Projekt) entstanden. Die Versuche, über die berichtet wird, wurden in Zusammenarbeit zwischen der Jülicher Versuchsabteilung der Firma Hochtemperatur-Reaktorbau GmbH (HRB) und der Kernforschungsanlage Jülich GmbH (KFA) an der ARGAS-Anlage der KFA durchgeführt. [...]

Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Forschung und Technologie geförderten Programms zur Entwicklung magnetohydrodynamischer Generatoren war der Kernforschungsanlage Jülich GmbH, Jülich, und der Bergbau-Forschung GmbH, Essen, die Aufgabe gestellt, baureife Unterlagen für einen MHD-Generator mit einer thermischen Eingangsleistung von 30 MW zu erstellen.

Dieser Bericht ist im Rahmen der von der öffentlichen Hand in der Bundesrepublik Deutschland und der Schweiz geförderten Entwicklung von Kernkraftwerken mit Hochtemperaturreaktor und Heliumturbine großer Leistung (HHT-Projekt) entstanden. Die Versuche, über die berichtet wird, wurden in Zusammenarbeit zwischen der ARGAS-Gruppe der Kernforschungsanlage Jülich GmbH (KFA) und der Jülicher Versuchsabteilung der Firma Hochtemperatur-Reaktorbau GmbH (HRB) an den Versuchsanlagen ARGAS und Druckentlastungsstand der KFA durchgeführt.

Der Gedanke, das Reaktorkühlgas direkt zur Arbeitsleistung in der Turbine zu nutzen, ist nicht neu, und es liegen eine Vielzahl von Vorschlägen und Studien über derartige Systeme vor. Eine Anlage mit einer Heliumturbine in einem Reaktorkreislauf besteht bis heute noch nicht. Hinsichtlich des gasgekühlten Hochtemperaturreaktors im Zweikreis mit Dampfturbine kann jedoch festgestellt werden, daß dieses System nach dem erfolgreichen Betrieb kleinerer Prototypanlagen wie etwa Peach Bottom oder AVR dem fortgeschritteten Baustadium der Kraftwerke Fort St. Vrain und THTR 300, mit 330 bzw. 300 MW Leistung, sowie einer Reihe weiterer Bestellungen und Optionen auf größere Anlagen in USA [ 1 ] die Wirtschaftlichkeitsschwelle erreicht hat. Der Schritt zur Einkreisanlage liegt nahe, da mit diesem System die bessere Nutzung des beim Hochtemperaturreaktor möglichen Temperaturniveaus gegeben ist. In der Tat stehen aber noch eine Vielzahl von technischen Problemen zur Lösung an, die sich jedoch nicht primär auf den Reaktor selbst, den man möglichst weitgehend von der schon bewährten Zweikreisanlage übernehmen will, sondern auf die anderen Anlagenkomponenten und somit auch auf die Heißgasleitung beziehen. Diese Fragen werden im Rahmen des Projektes "Hochtemperaturreaktor mit Heliumturbine großer Leistung," (HHT) bearbeitet.

Nach über dreijähriger Planung und Bauzeit wurde die MHD-Versuchsanlage ARGAS fertiggestellt. Mit Hilfe dieser Anlage werden eine Reihe von Versuchen physikalischer und technischer Natur durchgeführt, die beitragen sollen, verschiedenartige Probleme der MHD-Energiewandlung zu lösen. In diesem Bericht werden zunächst physikalische und technische Anforderungen an die Versuchsanlage besprochen, um aufzuzeigen, wie es dann zu einer ganz bestimmten Konzeption der Anlage kam, welche ausführlich erläutert wird. Bevor die Versuchsanlage im einzelnen beschrieben wird, erscheint es zweckmäßig, das $\underline{Prinzip der MHD Energiewandlung}$ kurz zu erläutern. Das Kernstück eines solchen MHD-Generators ist ein Kanal, bestehend aus jeweils zwei gegenüberliegenden Isolator- und Elektrodenwänden, der sich in einem starken Magnetfeld befindet und von einem heißen, teilweise ionisierten Gas mit großer Geschwindigkeit v durchströmt wird (Abb. 1). Dabei wird eine Feldstärke v • B senkrecht zur Geschwindigkeit und zum Magnetfeld induziert, wodurch die im Gasstrom befindlichen elektrischen Ladungsträger, Elektronen und Ionen abgelenkt werden. Es entsteht ein Strom i, der über sinnvoll angeordnete Elektroden zum Verbraucher fließt. Der Strom im Magnetfeld bewirkt eine Lorentz-Kraft i • B, die der Strömung entgegenwirkt. Gegen diese Kraft muß das Gas Arbeit leisten. Es verliert dabei soviel Energie wie an dem Verbraucher genutzt wird. Beim MHD Generator wird also die Energiewandlung nicht mit Hilfe rotierender Teile bewerkstelligt, sondern in direkter Weise (Direktenergiewandler). Das Arbeitsmedium kann flüssig oder gasförmig sein. Im ersten Falle handelt es sich um flüssige Metalle und im zweiten Falle um Verbrennungsgase oder Edelgase. Dem Arbeitsgas wird, um die Leitfähigkeit zu erhöhen, Kalium oder Cäsium in geringen Mengen zugesetzt.

Der Energiekonsum wächst auf der gesamten Welt stark an. Bei den Industrienationen läßt sich dieses Wachstum für die Periode bis etwa zum Jahre 2000 einigermaßen gut aus den vorhandenen Statistiken zurückliegender Jahre abschätzen. Schwieriger werden die Prognosen bei einer zusätzlichen Einbeziehung der Entwicklungsländer weil hierreben einem in Relation zu den Industrienationengewaltigen Nachholbedarf auch die stark wachsenden Bevölkerungszahlen in der Zukunft Energiebedarfssteigerungen in einem heute noch kaum vorstellbaren Maße erwarten lassen. Besonders für die elektrische Energie, die edelste und am vielseitigsten verwendbare Energieform können diese großen Steigerungsraten erwartet werden. Spielen auch heute noch die fossilen Brennstoffe für die Stromerzeugung die dominierende Rolle, so wird nach Ansicht verschiedener Prognosen z.B. [1; 2] ab 1980 schon die Kernenergie den wesentlichen Einzelanteil an der Stromerzeugung haben. Unerschöpfliche für die Stromerzeugung nutzbare Energiereserven würden allerdings erst durch ein Gelingen der kontrollierten Kernfusion erschlossen, aber schon die von ihrem Konzept her sicherlich wesentlich einfacheren und heute beherrschbaren Kernreaktoren haben gezeigt, daß solche Energiequellen nicht unter allen Umständen und für alle Zwecke wie z.B. für Belastungsspitzen geeignet und verwendbar sind. Demnach kann erwartet werden, daß die fossilen Brennstoffe einen Anteil an der Stromerzeugung in der Zukunft behalten werden, was uns in der Tat zwingt, eine möglichst ökonomische Verwendung dieser nur begrenzt vorhandenen Energieträger anzustreben. Auch die sicherlich immer wesentlicher werdenden Forderungen nach einem verstärktem Umweltschutz werden mit zur Entwicklung eines Bewertungsmaßstabes für Kraftwerksanlagen beitragen, der nicht so ausschließlich auf das heute dominierende Kriterium der Stromerzeugungskosten ausgerichtet ist. In Anbetracht der zu erwartenden gewaltigen Steigerungsrate bei der Stromerzeugung wird man jede mögliche Erzeugungsmethode hinsichtlich ihrerEinsatzchancen ausloten und diskutieren müssen. Gerade das Beispiel der Kernkraft als Ergänzung nicht jedoch als Ersatz für bisherige Verfahren beweist dies. In dieser Richtung soll hier der MHD-Generator in der Schaltung mit einer Luftturbine untersucht werden.Durch das letzte internationale MHD-Symposium in München im April 1971 konnten die optimistischen Erwartungen, die in diese Form der Energiewandlung gesetzt werden, unterstrichen werden, wozu besonders erste positive Berichte über das MHD-Pilot Kraftwerk U25 in der Nähe von Moskau beitrugen. Auch in der BRD sind größere Experimente mit Verbrennungsgas-MHD-Generatoren angelaufen,so einmal beim IPP in Garching eine MHD-Kurzzeitanlage sowie in Jülich die VEGAS-Anlage [3] . Studien über die Einsatzmöglichkeitenund Aussichten von MHD-Generatoren sollen dabei die Experimente der MHD-Generator in der Schaltung mit einer Luftturbine untersuchtwerden. Durch das letzte internationale MHD-Symposium in München im April 1971 konnten die optimistischen Erwartungen, die in dieseForm der Energiewandlung gesetzt werden, unterstrichen werden, wozu besonders erste positive Berichte über das MHD-Pilot Kraftwerk U25 in der Nähe von Moskau beitrugen. Auch in der BRD sind größere Experimente mit Verbrennungsgas-MHD-Generatoren angelaufen, so einmal beim IPP in Garching eine MHD-Kurzzeitanlage sowie in Jülich die VEGAS-Anlage [3] . Studien über die Einsatzmöglichkeiten und Aussichten von MHD-Generatoren sollen dabei die Experimente ergänzen. Andererseits geben erst die Aussagen der Experimente die fundierte Basis für die Auslegungsrechnungen, so liefern auch die Versuchsergebnisse der in Jülich errichteten VEGAS-Anlage eine Fülle von technologischen Daten, die in die vorliegende Studie Eingang finden.

In vielen Arbeiten wurden die physikalischen Probleme im Kanal des Edelgas-MHD-Generators behandelt. Vor allem Fragen der Erhöhung der Plasmaleitfähigkeit im magnetisch induzierten elektrischen Feld (Nichtgleichgewichts-Leitfähigkeit), und die Probleme der dabei auftretenden Ionisationsinstabilitäten standen in letzter Zeit im Mittelpunkt experimenteller und theoretischer Untersuchungen.Im Vergleich dazu war die Zahl der Arbeiten, welche sich auf das Ziel der Forschung, nämlich auf MHD-Kernkraftwerke bezogen, klein. Sie hatten auch häufig den Charakter einer globalen Abschätzung, wenn nicht einzelne Komponenten eines Kraftwerkes betrachtet wurden. Bei dieser Sachlage erschien es erforderlich, in einer möglichst umfassenden Arbeit über MHD-Kraftwerke und derenProblematik zu berichten. Der Bericht umfasst praktisch alle Komponenten eines MHD-Kraftwerkes und ist dort ausführlicher, wo es sich um spezifische Fragen handelt, also solche, die nur bei MHD-Kraftwerken auftreten. Naturgemäß sind die ökonomischen Angaben teilweise auf Abschätzungen und Extrapolationen aufgebaut. Viele technologische Angaben beruhen auf eigenen Erfahrungen,die vornehmlich mit der Versuchsanlage ARGAS gemacht wurden.

Die Konzeption der Edelgas-MHD-Versuchsanlage ARGAS ermöglicht sowohl physikalische als auch technische und technologischeProbleme zu untersuchen. Dabei wurde bewußt der Versuch unternommen,eine wirklich geschlossene, kontinuierlich arbeitendeAnlage zu erstellen. Damit wurde ohne Zweifel der Versuchsbetrieb bedeutend komplizierter als dies bei den sonst üblichen blow-down-Anlagen der Fall ist. Dadurch aber war es auch möglich die technischen Probleme im Zusammenhang mit einem Edelgas-MHD-Generator kennenzulernen. In diesem Sinne wird in der vorliegenden Arbeit über die Betriebserfahrungen der vergrößerten ARGAS-Anlage berichtet, wobei die eigentlichen MHD-Messungen allerdings ausgeklammert sind (sie werden in einem späteren Bericht zusammengefaßt). Auch auf die wesentlichen Veränderungen der Anlage durch den Einsatz eines großen Supraleitermagneten wird in Ergänzung zu früheren Berichten [1] und [2] eingegangen.

In dem vorliegenden Bericht wex-den die bisher- mit der Anlage gewonnenen experimentellen Ergebnisse ausführlich beschrieben und diskutiert. Dem Wesen einer technisch ausgebildeten Versuchsanlage gemäß, wird dabei zunächst den bei den einzelnen Inbetriebnahmephasen gewonnenen technischen und technologischen Erfahrungen breiter Raum gegeben. Die gemessenen Charakteristiken der einzelnen Bauelemente (Kompressor, Erhitzer- usw.) erlauben die befriedigende Feststellung, daß die bei der Konstruktion festgelegten Werte weitgehendst verifiziert worden sind. Als einzige nicht befriedigend funktionierende Baugruppe muß die Cäsiumrückgewinnung angeführt werden. Alle verwendeten Materialien wie die Refractory-metals (Ta, Mo), die hochtemperaturfesten Stähle (Incoloy 8oo) und das zur Kanalisolation verwendete Aluminiumoxyd bewährten sich hervorragend. Diese technischen Ergebnisse erscheinen von großem Wert für Modellstudien großer MHD-Kraftwerksprojekte. Die mit dem bisherigen Kanal erfolgten MHD-Messungen können zusammenfassend wie folgt charakterisiert werden: 1) Die gemessenen Werte der Faraday- Leerlaufspannung erreichten die theoretischen Werte nur für $\beta \le$ 1,7, für größere $\beta$-Werte waren sie stets kleiner. 2) Der Effekt der Nichtgleichgewichtsionisation mit der damit verbundenen Leitfähigkeitserhöhung konnte eindeutig nachgewiesen werden.3) Die Hallspannungen und der effektive Hallparameter waren stets kleiner als die entsprechenden theoretischen Werte. 4) Fluktuationen aufgrund von Plasmainstabilitäten waren für $\beta$ > 1,7 meßbar. 5) Die Messungen zeigen, daß die Isolation des Diffusors nicht ausreichend war und beträchtliche innere Ströme gegen Erde flossen. Die Anlage wird zur Zeit umgebaut, um einen längeren Kanal mit einem großen Supraleitermagneten einzusetzen.