Kernfusion im Kugelreaktor
Elektrotechnik
Spannung- und Stromversorgungen
Für den Betrieb des Fusionsreaktors mussten drei verschiedene Stromversorgungen konzipiert werden.
40kV-Kathodenversorgung
Für die Beschleunigung der Deuteronen zur Gitterkathode ist eine leistungsstarke Gleichstromversorgung essentiell. Im Laufe der projektplanung wurden verschiedene Spannungsversorgungen für die Kathode entwickelt, die experimentell verglichen und nicht alle eingestzt werden. Um die chronologische Entwicklung darzustellen soll zunächst, die 8-OBIT-Hochspannungsversorgung beschrieben werden, die jedoch wegen zu geringer Leistung nicht eingesetzt wurde.1.) 8-OBIT-Hochspannungsversorgung (nicht eingesetzt)
Die Hochspannungsversorgung für den Fusor sollte eine Spannung von mindestens 30kV negativ gegen Erde aufweisen. Des Weiteren sollte der entnehmbare Strom mindestens 5mA sein. Da solche Transformatoren nur sehr schwer bzw. mit erheblichem finanziellen Aufwand zu bekommen sind wurde eine spezielle Hochspannungsversorgung aus 8 Ölbrennerzündtransformatoren konstruiert.
Diese Trafotypen (englische Abkürzung OBIT = Oil Burner Ignition Transformer) werden, wie der Name schon sagt, in Brennern von Ölheizkesseln verwendet. Dort erzeugen sie einen Lichtbogen, der die Flamme zündet. Ölbrennertrafos werden primär direkt ans Netz angeschlossen und liefern normalerweise sekundär zwischen den beiden Hochspannungsanschlüssen 7 bis 15 kVeff bei einem Kurzschlussstrom von etwa 25mA. Die Sekundärwicklung besitzt eine Mittelanzapfung, die geerdet ist, so dass zwischen jedem Anschluss und Erde nur ca.5 kV eff. liegen.
Die Transformatorversorgung besteht aus 2 OBIT-Versorgungstransformatoren, deren Sekundärausgänge jeweils parallel verschaltet sind. Diese beiden Ausgänge (5kV gegen Erde) dienen der Stromversorgung der "Transformatorreihenschaltung" Bei dieser speziellen Schaltung wird jeweils die Hälfte einer Sekundärwicklung als "Primärwicklung" und die zweite Hälfte (durch die Mittelanzapfung getrennt) als "Sekundärwicklung" genützt. Jeder einzelne OBIT wirkt hier als "5kV-Spannungsverdoppler", so dass am Ausgang von OBIT2a und OBIT2b jeweils eine Spannung von 10kV gegen Erde anliegt. Durch weitere "Spannungskaskadierung" über OBIT1b, OBIT1c sowie OBIT2b, OBIT2c erhält man am Ausgang der Transformatorreihenschaltung zwei gegenphasige Spannungen von 20kV gegen Erde. Diese beiden Ausgänge können nun an einen kapazitiven Spannungsverdoppler zugeführt werden oder gleichgerichtet werden.
2.) Leistungsfähige Spannungswandlerversorgung
Diese Kathodenversorgung sollte bei einer maximalen Leistung von 2500W eine konstante Hochspannung bis zu -30kV liefern. Im "niederen Spannungsbereich" (U<20kV) sollte der Spannungsquelle bis zu 100mA Strom entnommen werden können, während im oberen Spannungsbereich (U>20kV) ein maximal entnehmbarer Strom von 50mA angestrebt wurde.
Zudem sollte die Kathodenversorgung eine möglichst geringe Welligkeit <6% bei einem Strom von 50mA im Spannungsbereich von 40kV aufweisen. Im Anschluss an ein Praktikum von Max Bigelmayr bei E.ON Bayern wurde uns ein leistungsfähiger Spannungswandler für das Projekt überlassen.
Dieser für mehrere kW ausgelegte Transformator kann „rückwärts“ betrieben werden und liefert bei einer Eingangsspannung von 400Veff. eine Ausgangsspannung von 20kVeff.. Die Eingangsspannung kann über einen Regeltransformator von 0-400V geregelt werden.
Mit einer Villard-Verdopplerschaltung wird der Strom über einen Maxwell Kondensator (C=220nF) und einen Diodenstrang gegen Erde geleitet, sodass in jeder zweiten Halbwelle ein doppelter Spannungspeak über den Diodenstrang auftritt. Anschließend wird der Strom über einen weiteren Diodenstrang einem Glättungskondensator (C=220nF) zugeführt. Die Welligkeit der Amplitude einer n-stufigen Spannungsvervielfachungsschaltung (Kaskade) nach Greinacher errechnet sich angenähert aus der Formel
wobei, n die Anzahl der Stufen in der Verdopplerschaltung ist. Da die Villardschaltung eine einstufige Kaskade ist, ergibt sich bei einem Strom von 50mA bei US=40kV eine Welligkeit von .
Dies entspricht einem Ripple von 2273/40000˜0,057=5,7% Über einen Widerstandstrang wird diese geglättete, negative Hochspannung dann zur Vakuumkammer geführt, wo sie die Gitterkathode versorgt. Nach dem Versuch werden die Kondensatoren mit einer speziellen Sicherheitssteuerung über ein Hochvakuumentladerelais kurzgeschlossen.
Nachsinkt die Spannung dann exponentiell in weniger als einer Sekunde auf ungefährliche Spannungswerte <10V ab:
Über einen Spannungsteiler kann die proportionale Teilspannung dem Messsystem zugeführt werden. Der Strom wird über einen Shuntwiderstand gemessen und ebenso dem Messsystem zugeführt.
2kV-Anodenversorgung
Die Ausgangsspannung (ca. 2kVeff.) wird nun über einen Gleichrichter einem Glättungskondensatoren (Cges=4µF) zugeführt und zur Gitteranode weitergeleitet. Auch hier wird die Spannung über einen Spannungsteiler gemessen und zum Messsystem weitergeleitet. Der Strom über einen Shuntwiderstand gemessen und ebenso dem Messsystem zugeführt.
Filamentdrahtversorgung
Mit einem weiteren Regeltrafo kann die Heizleistung über die Ausgangsspannung eines Niederspannungstrafos geregelt werden. Sekundär liefert diese Versorgung nach einer Grätzbrücke eine Spannung von ca. 40V, die kapazitiv geglättet wird.
Über Schutzdioden und Spannungsableiter ist die Versorgung vor evtl. Einschlägen aus der Gitteranode geschützt. Analog zu den anderen Versorgungen werden auch hier die Spannung über einen Spannungsteiler und der Strom über einen Shuntwiderstand gemessen.
