Elektronenstrahlschweißen

Andreas Mühlbauer,

Elektronenstrahlen für die Kernfusion

Am europäischen Kernfusions-Testreaktor ITER wird hochenergetisches Plasma von starken Magnetfeldern eingeschlossen. Der umgebende massive Kessel wird aus einzelnen Teilen zusammengeschweißt, wobei die Schweißnähte den allerhöchsten Anforderungen genügen müssen. Die geforderte Qualität lässt sich mit der Technologie des Elektronenstrahlschweißens erreichen. 

Die riesigen Bauteile werden in Großkammer-Elektronenstrahlanlagen geschweißt. Zwei dieser Anlagen stehen bei Pro-Beam. © Pro-Beam

Derzeit 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 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 – der Kernfusion. Die Technologie des Elektronenstrahls spielt im Rahmen des Experiments eine tragende Rolle.

An dem Mega-Projekt arbeiten 35 Nationen, darunter die europäischen Länder, 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 8.000 Tonnen schweren Vakuumkessel aus Chrom-Nickel-Stahl, eine spezielle Anfertigung mit einer eigens für ITER spezifizierten Güte. Darin wird ein starkes Magnetfeld zukünftig ein Gramm Deuterium-Tritium-Gas auf engen Schraubenbahnen halten. Dieses Gas wird auf 150 Millionen Grad Celsius erhitzt und in den Plasmazustand gebracht. Das Plasma ist heißer als die Sonne selbst, so lässt sich deren Prinzip des Energieausstoßes nachbilden.

Anzeige
Der Fusionsreaktor ITER soll den Weg für eine neue Energiequelle ebnen. © ITER Organization

Elektronenstrahl fügt tonnenschweren Kessel

Um den dabei herrschenden Kräften standhalten zu können, wurden fünf der neun Sektoren des Kessels mit der Elektronenstrahl-Technologie 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“, sagt Dr. Thors-ten 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 zwölf Meter hohen und fünf Meter 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.

Gigantisches Projekt – enorme Herausforderungen

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. Die hohe Energiekonzentration im Fokuspunkt des Elektronenstrahls bringt eine hohe Leistungsdichte mit sich und ermöglicht dadurch hohe Schweißgeschwindigkeiten. Diese Schnelligkeit und die damit einhergehende hohe Produktivität und Effizienz sind 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.

Die ITER-Bauteile sind aus einem speziellen Chrom-Nickel-Stahl. Das Bauteil wird in einer Vorrichtung zum Schweißen vorbereitet. © Pro-Beam

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 Millimetern bis hin zu sechs Metern. Darüber hinaus wurde noch nie zuvor ein Forschungsprojekt dieser Größenordnung durchgeführt, deshalb kommt es immer wieder zu Verzögerungen. „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“, sagt Löwer.

Warum schweißen mit dem Elektronenstrahl?

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 geschweißt. Darüber hinaus wird vergleichsweise wenig Energie in das Bauteil gebracht, wodurch sich nahezu verzugsfrei schweißen und eine extreme Langzeitstabilität sowie eine hohe Maßhaltigkeit realisieren lassen. Letzteres ist für die Passgenauigkeit der meterlangen ITER-Bauteile höchst entscheidend – Verzug darf höchstens im Millimeterbereich oder darunter stattfinden.

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.

Nach Abschluss des Projekts im Frühjahr 2020 wird Pro-Beam insgesamt 470 Komponenten mit mehr als 1.800 Schweißnähten und über 2.400 Meter Naht geschweißt haben. In Betrieb genommen wird der experimentelle Reaktor nach derzeitigem Stand erstmals im Jahr 2025.

Stefanie Köhr, Marketing, Pro-Beam / am

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige
Anzeige

Orbitalschweißen

Dünnwandige Rohre sicher schweißen

Orbitalschweißen ist ein vollmechanisches Schutzgas-Schweißverfahren, bei dem die Elektrode samt Lichtbogen komplett um runde Werkstücke herumgeführt wird. Die Vorteile: hohe Verfahrenssicherheit und Reproduktionsfähigkeit, kurze Produktionszeiten,...

mehr...
Anzeige

Editorial

Zukunftsmusik

Anfang November fand in Stuttgart das Messedoppel Blechexpo und Schweisstec statt. Wie andere Branchen sehen auch die Blechbearbeiter und Schweißtechniker mit gemischten Gefühlen in die Zukunft.

mehr...
Anzeige
Anzeige
Anzeige

Schweißroboter

Arbeitsbereiche von 727 bis 3.120 mm

Yaskawa vergrößert das Schweißroboter-Portfolio mit der Motoman AR-Serie um sechs neue Modelle. Mit Arbeitsbereichen von 727 bis 3.120 mm sind die Bearbeitung verschiedenster Werkstücke sowie das Montieren einer großen Auswahl an Zubehör möglich.

mehr...