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DRESDYN

Das Infrastrukturprojekt DRESDYN (DREsden Sodium facility for DYNamo and thermohydraulic studies) beinhaltet einerseits große Experimente mit flüssigem Natrium, mit denen verschiedene geo- und astrophysikalische Fragen untersucht werden sollen. Andererseits dient es auch der Bearbeitung technologischer Probleme beim Einsatz von Flüssigmetallen in der Energietechnik. Abbildung 1 gibt einen Eindruck des fertiggestellten DRESDYN-Gebäudes. Ein Schema der geplanten Experimente ist in Abbildung 2 zu sehen.

Abbildung 1: Das DRESDYN-Gebäude am HZDR. (a) Ansicht von außen mit linkem Flügel (LW) für Werkstatt, Chemielabor und Kontrollraum, der zentralen Halle (CH) für die Natriumexperimente, dem rechten Flügel (RW) mit technischen Installationen, und der Reinigungsstation (CS) für Natrium-kontaminierte Teile. (b) Innenansicht der zentralen Experimentierhalle.

Abbildung 2: Innenansicht der zentralen Halle mit den geplanten Experimenten: Präzessionsgetriebener Dynamo (P), der im Containment installiert wird; Taylor-Couette-Experiment für Untersuchungen der Magnetorotations- und der Tayler-Instabilität (M); Natrium-Loop (L); In-Service-Inspection-Experiment (I). Ein weiterer Teststand für Flüssigmetallbatterien, der bisher noch nicht im Detail spezifiziert ist, wird die Experimente ergänzen.

Das ambitionierteste Projekt im Rahmen von DRESDYN ist ein präzessionsgetriebener Dynamo (Abbildung3), mit dem untersucht werden soll, ob und unter welchen Bedingungen Präzession eine mögliche Ursache planetarer Dynamos darstellt. Den Kern dieses Experimentes bildet ein mit flüssigem Natrium gefüllter Behälter von 2 m Durchmesser, der aus einem zentralen Zylinder mit 2 m Höhe und zwei konischen Endstücken besteht. Dieser Behälter soll mit 600 U.p.M. um seine zentrale Achse, sowie mit bis zu 60 U.p.M. um eine dazu geneigte Achse rotieren. In Abhängigkeit vom Verhältnis dieser beiden Rotationsraten, sowie vom Winkel zwischen den beiden Achsen, stellen sich verschiedene Strömungszustände ein, die in Hinblick auf ihre Eignung zur Selbsterregung eines Magnetfeldes untersucht werden.

Abbildung 3: Design des Präzessionsexperiments.

In einem zweiten Experiment (Abbildung 4) sollen verschieden Varianten und Kombinationen der Magneto-Rotations-Instabilität (MRI) und der Tayler-Instabilität (TI) erforscht werden. Die MRI wird als Ursache von Turbulenz und Drehimpulstransport in Protosterne und Schwarze Löcher umgebenden Akkretionsscheiben angesehen, ohne die die beobachtete Massenkonzentration in solchen zentralen Objekten nicht erklärbar wäre. Die TI spielt eine wichtige Rolle beim Drehimpulstransport in Neutronensternen, und bildet ein wesentliches Element eines speziellen Modells stellarer Dynamos (Tayler-Spruit-Dynamo). Während die helikale und die azimutale MRI sowie die reine TI bereits in kleineren GaInSn-Experimenten am HZDR nachgewiesen wurden, wird es das neue Experiment mit flüssigem Natrium erlauben, sowohl verschiedene Kombinationen dieser Instabilitäten als auch die Standard-Variante der MRI zu untersuchen.

Abbildung 4: Design des MRI/TI-Experiments: Magnet für axiales Feld (M); Zentraler Stab für azimutales Feld (R); Innenzylinder (I); Außenzylinder (O).

Neben ihrer astrophysikalischen Bedeutung spielt die TI möglicherweise auch in einer „irdischen“ Anwendung eine wichtige Rolle (Abbildung 5). Dabei geht es um großskalige Flüssigmetall-Batterien, die als vielversprechende Speicher für die stark fluktuierenden erneuerbaren Energien im Gespräch sind. Da die Kosten pro gespeicherte Kilowattstunde mit wachsender Größe der Batterien sinken, wird aus ökonomischer Sicht eine möglichst große Bauart angestrebt. Dabei entstehen in der Batterie aber solche Stromstärken, bei denen die TI in Form von Wirbeln einsetzt, welche die stabile Schichtung des anodischen Materials (Mg,Li,Na), des dünnen Elektrolyten, sowie des kathodischen Materials (Pb,Sb,Bi) durchaus zerstören können. In einem speziellen Teststand sollen verschiedene am HZDR entwickelte Maßnahmen zur Unterdrückung der TI validiert werden.

Abbildung 5: Die stromgetriebene Tayler-Instabilität kann die Stabilität großer Flüssigmetallbatterien beeinträchtigen.

Weitere Experimente im Rahmen von DRESDYN widmen sich der Entwicklung von Messtechniken für thermohydraulische Anwendungen flüssigen Natriums.


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