Dauerbetrieb der Tokamaks rückt näher

  • 28. April 2016

Experimente an der Fusionsanlage ASDEX Up­grade er­füllen nahe­zu die Be­din­gungen für ITER und DEMO.

Ziel der Fusionsforschung ist es, aus der Verschmelzung von Atom­kernen kontrol­liert Energie zu gewinnen. Weil das Fusions­feuer erst bei Tempe­raturen über ein­hundert Millionen Grad zündet, darf der Brenn­stoff – ein dünnes Wasser­stoff­plasma – nicht in Kontakt mit kalten Gefäß­wänden kommen. Von Magnet­feldern gehalten, schwebt er nahezu berührungs­frei im Inneren einer ring­förmigen Vakuum­kammer. Für einen stabilen und dichten magne­tischen Käfig müssen die Feld­linien inner­halb der kreis­förmigen Kammer in großen, inein­ander liegenden Schrauben umlaufen. So spannen sie geschlossene, inein­ander geschachtelte Flächen auf. Auf diesen magne­tischen Flächen, auf denen die Plasma­teilchen laufen, sind die mittlere Feld­linien­ver­drillung sowie Dichte und Tempe­ratur des Plasmas jeweils konstant, während von Fläche zu Fläche – vom heißen Zentrum nach außen – die Ver­drillung der Feld­linien sowie Dichte, Tempe­ratur und Plasma­druck abnehmen.

ASDEX

Abb.: Während des Aufbau von ASDEX Up­grade waren Plasma­gefäß und Magnet­spulen noch gut sicht­bar. (Bild: IPP)

Fusionsanlagen vom Typ Tokamak – wie ASDEX Upgrade in Garching oder der inter­nationale Testreaktor ITER, der gerade im franzö­sischen Cadarache aufge­baut wird – benutzen zum Aufbau des Magne­käfigs zwei sich über­lagernde Magnet­felder: erstens ein ring­förmiges Feld, das durch flache äußere Spulen erzeugt wird, zweitens das Feld eines im Plasma flie­ßenden Stroms. In dem kombi­nierten Feld laufen die Feld­linien dann schrauben­förmig um und bauen die magne­tischen Flächen auf.

Der Plasmastrom wird normalerweise pulsweise durch eine Trans­formator­spule im Plasma indu­ziert. Daher arbeitet die gesamte Anlage nicht konti­nu­ierlich, sondern in Pulsen – ein Manko der ansonsten so erfolg­reichen Tokamaks, erklärt Alexander Bock vom MPI für Plasma­physik: „Zum Beispiel könnte die ständig wechselnde Belastung die Lebens­dauer des Kraft­werks verkürzen.“ Abge­sehen davon macht der Strom das Plasma anfällig für eine Viel­zahl von Insta­bi­litäten, die den Ein­schluss des Plasmas stören können. Deshalb werden schon lange Methoden unter­sucht, in einem Tokamak Dauer­betrieb zu erreichen, den Strom im Plasma also nicht puls­weise per Trans­for­mator, sondern konti­nu­ierlich – zum Beispiel durch Ein­strahlen von Hoch­frequenz­wellen oder Ein­schießen von Teilchen­strahlen – zu erzeugen.

In seiner Doktorarbeit untersuchte Bock, welche Effekte sich damit erreichen lassen. Der große Vor­teil: Mit einem zumindest teil­weise von außen getrie­benen Strom lässt sich das Profil des Stroms im Plasma beein­flussen und damit die Ver­drillung der Feld­linien maß­ge­schneidert verändern. Senkt man zum Beispiel den Plasma­strom im Plasma­zentrum, nimmt die Ver­drillung der Feld­linien dort ab. Über komplexe Zusammen­hänge der kollek­tiven Teilchen­bewegungen verstärkt dies den Bootstrap-Strom am Plasma­rand. Dieser elektrische Strom, den das Plasma bei Anwesen­heit von Druck­unter­schieden von alleine aufbaut, kann einige zehn Prozent des Gesamt­stroms aus­machen. Er lässt sich daher nutzen, um die Ent­ladungen unab­hängiger vom Trans­formator zu machen und längere Pulse zu erreichen – wenn es gelingt, einige Neben­bedingungen zu erfüllen, damit das sich quasi selbst ein­schlie­ßende Plasma im stabilen Gleich­gewicht bleibt. „Im besten Fall“, so Bock, „könnte ein solcher ‚Advanced Tokamak’ stationär betrieben werden.“ Zusätz­lich sollte ein flacherer Verlauf der Ver­drillung auch Turbu­lenzen im Plasma behindern und dadurch den Ein­schluss verbessern.

Das ist dem ASDEX Upgrade-Team nun durch sorgfältige Steuerung der Ent­ladungen tatsäch­lich gelungen – und zwar im Unter­schied zu früheren Experi­menten an der Garchinger Anlage, aber auch an DIII-D in den USA, dem euro­päischen JET oder dem japa­nischen JT-60U – erstmals an einer Maschine mit rein metallischer Innen­wand. Denn seit 2007 ist die innere Wand des Plasma­gefäßes von ASDEX Upgrade komplett mit Wolfram bedeckt, dem Metall mit dem höchsten Schmelz­punkt. Unter diesen heraus­fordernden, aber reaktor­relevanten Bedin­gungen gelang jetzt der Betrieb nahezu ohne Trans­formator, und das bei stabilem Plasma, hohem Plasma­druck und guten Ein­schluss­eigen­schaften in einem Werte­bereich, in dem auch spätere Kraft­werke arbeiten sollen. Gezielt nahe dem Plasma­zentrum einge­strahlte Mikro­wellen und Teilchen­strahlen ver­änderten den Plasma­puls merklich: Für drei Sekunden blieb der acht­hundert Kilo­ampere starke Plasma­strom auch ohne Trans­formator konstant. Der Bootstrap-Strom machte dabei die Hälfte des Gesamt­stroms aus. Wäre die Anlage nicht mit normal­leitenden Kupfer­spulen, sondern, wie bei ITER vorge­sehen, mit supra­leitenden Magnet­spulen ausge­rüstet, hätte diese Phase ungleich länger ausge­dehnt werden können – potentiell bis hin zum Dauer­betrieb. Bocks Fazit: „Die Ent­ladungen zeigen, dass der attraktive Betrieb ohne Trans­formator in ASDEX Upgrade möglich ist. Es lohnt sich also, die Studien zum Advanced Tokamak fort­zu­setzen.“

IPP / RK

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