Plasma-Stabilität nach Maß

  • 28. January 2011

Mit Regelspulen lassen sich die ELM-Instabilitäten in der Fusionsanlage ASDEX Upgrade kontrollieren.

Nach knapp einjähriger Umbauzeit ist es mit acht magnetischen Regelspulen an der Wand des Plasmagefäßes der Fusionsanlage ASDEX Upgrade gelungen, störende Instabilitäten des Plasmas, so genannte ELMs (Edge Localized Modes), auf das gewünschte Maß zu stutzen. Werden diese Ausbrüche des Randplasmas zu heftig, können sie das Plasmagefäß in Anlagen der ITER-Klasse ernsthaft schädigen.

  Abb.: Einbau von Regelspulen in das Plasmagefäß der Fusionsanlage ASDEX Upgrade (Foto: IPP, Volker Rohde)

Abb.: Einbau von Regelspulen in das Plasmagefäß der Fusionsanlage ASDEX Upgrade

(Foto: IPP, Volker Rohde)

Der internationale Experimentalreaktor ITER (lat.: der Weg) soll mit 500 Megawatt Fusionsleistung die Machbarkeit eines Kraftwerks zeigen, das aus der Fusion von Atomkernen Energie gewinnt. Dazu muss es gelingen, das Plasma – ein dünnes ionisiertes Wasserstoffgas – berührungsfrei in einem Magnetfeldkäfig einzuschließen und auf Zündtemperaturen über 100 Millionen Grad aufzuheizen. An ASDEX Upgrade, einem Projekt des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) in Garching, werden Untersuchungen durchgeführt, die helfen, ITER vorzubereiten.

Die komplexe Wechselwirkung zwischen den geladenen Plasmateilchen und dem einschließenden Magnetfeld macht unterschiedlichste Störungen des Plasmaeinschlusses möglich. Für ITER zurzeit heftig diskutiert sind ELMs: Dabei verliert das Randplasma kurzzeitig seinen Einschluss und wirft periodisch Plasmateilchen und -energien gebündelt und schlagartig nach außen auf die Gefäßwand. Bis zu einem Zehntel des gesamten Energieinhalts werden so ausgeschleudert. Während die jetzige Generation mittelgroßer Fusionsanlagen dies leicht verkraftet, könnte in Großanlagen wie ITER speziell ausgerüstete Prallplatten am Boden des Gefäßes, auf welche die Plasma-Randschicht magnetisch hingelenkt wird – überlastet werden. Ein Dauerbetrieb wäre so undenkbar.

Gänzlich unwillkommen ist diese ELM-Instabilität jedoch nicht, weil sie unerwünschte Verunreinigungen aus dem Plasma heraus wirft. Statt der üblichen starken ELM-Einschläge sind deshalb schwächere und dafür häufigere ELMs das Ziel. Die eigentlich im letzten Jahr fällig gewesene 300 Millionen Euro-Entscheidung darüber, wie dieses Maßschneidern bei ITER erreicht werden könnte, hatte das ITER-Team vertagt, um den Einbau der Regelspulen an ASDEX Upgrade abzuwarten. Denn andere Fusionsanlagen waren mit ähnlichen Spulen zu widersprüchlichen Resultaten gekommen.

Hier ebnen Experimente an ASDEX Upgrade den Weg zur Klarheit: Kurz nachdem der Strom in den neuen Kontrollspulen eingeschaltet wird, schwächen sich die ELM-Einschläge auf harmlose Stärke ab. Sie werden jedoch häufig genug, um die Ansammlung von Verunreinigungen im Plasma zu verhindern. Auch der gute Einschluss des Hauptplasmas bleibt erhalten. Ihre ursprüngliche Schlagkraft gewinnen die ELMs erst bei abgeschaltetem Spulenfeld wieder zurück.

Allerdings lässt sich der Plasmarand von ITER in kleineren Anlagen wie ASDEX Upgrade nicht komplett simulieren. Umso wichtiger ist es, die der ELM-Unterdrückung zugrunde liegenden Vorgänge genau zu verstehen. Die bislang im IPP erarbeitete physikalische Theorie passt zwar zu den jetzigen Ergebnissen, muss aber noch geprüft und erweitert werden. Bis zur 2012 anstehenden Entscheidung bei ITER hat man Zeit, das Problem für den Testreaktor – und für ein künftiges Fusionskraftwerk – zu lösen. Ab 2012 sollen zudem acht weitere Spulen eine Vielzahl neuer Untersuchungen möglich machen.

IPP / MH

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