Forschung

Sanfter Wandkontakt – das passende Szenario für ein Fusionskraftwerk

16.07.2020 - Quasikontinuierliche Leistungsabfuhr als wandschonende Methode an ASDEX Upgrade entwickelt.

Eine aus­sichts­reiche Be­triebs­weise für das Plasma ei­nes späte­ren Kraft­werks wurde jetzt an der Fusi­ons­an­lage AS­DEX Up­grade im Max-Planck-Insti­tut für Plas­maphysik (IPP) in Gar­ching entwi­ckelt. Mit ihr ge­lingt es, In­stabi­litäten des Plas­mas zu ver­mei­den, die die Ge­fäß­wand stark belas­ten, und Wärme und Teil­chen sanf­ter als bisher aus dem Plasma ab­zufüh­ren.

Mit ASDEX Up­grade – einer Fusi­onsan­lage vom Typ To­kamak – will man Be­triebs­weisen für ein späte­res Kraft­werk entwi­ckeln. Damit genü­gend Fusi­onsre­aktio­nen ablau­fen, muss das ult­radünne, in ei­nem mag­neti­schen Käfig schwe­bende Plasma im Zent­rum extrem heiß sein: min­des­tens 100 Millio­nen Grad Cel­sius. Am Rand jedoch sollte es mög­lichst kalt sein, um die Wände des Va­kuum­gefä­ßes nicht zu über­lasten. Insbe­son­dere gilt dies für den soge­nann­ten „Diver­tor“, wo das Plasma Wand­kon­takt hat. Ein spezi­elles Mag­netfeld lenkt dazu den äuße­ren Rand des ring­förmi­gen Plas­mas auf ro­buste, ge­kühlte Platten am Bo­den des Gefä­ßes, die Di­vertor­plat­ten. So lassen sich stö­rende Verun­reini­gungen aus dem Plasma entfer­nen. Zu­gleich wird der heiße Innen­be­reich des Plas­mas wirk­sam von der kälte­ren Hülle ge­trennt. Denn die vom Diver­torfeld ge­formte Rand­schicht hüllt das Zentralplasma wie ein wär­men­der Mantel ein – die Vo­raus­set­zung für gute Wär­meiso­la­tion.

Damit der Di­vertor diese Funkti­onen erfül­len kann, sollten zusätz­liche Belas­tungen ver­mie­den wer­den. Beson­ders uner­wünscht sind soge­nannte Edge Locali­zed Mo­des, kurz ELMs – eine der Störun­gen des Plas­maein­schlus­ses, die die kom­plexe Wech­selwir­kung zwi­schen den gelade­nen Plas­mateil­chen und dem ein­schlie­ßen­den Mag­netfeld mög­lich macht. Dabei verliert das Rand­plasma kurz­zeitig seinen Ein­schluss und wirft perio­disch Plas­mateil­chen und -ener­gien nach außen auf die Diver­tor­plat­ten. Typisch ein Zehn­tel des gesam­ten Ener­giein­halts kön­nen so schlag­artig ausge­schleu­dert wer­den. Wäh­rend die jet­zige Gene­ration mittel­großer Fusi­onsan­lagen dies leicht ver­kraftet, wäre der Di­vertor in Groß­anla­gen wie I­TER o­der ei­nem späte­ren Kraft­werk dieser Stra­paze nicht ge­wach­sen.

 

Verfahren zum Ab­schwä­chen o­der Unter­drü­cken der ELMs, zum Bei­spiel durch mag­neti­sche Kon­troll­spulen, wur­den an ASDEX Up­grade bereits erfolg­reich entwi­ckelt (siehe PI 1/11). Aller­dings: Voll­ständig lässt sich der Plas­ma­rand des Testre­aktors ITER o­der ei­nes späte­ren Kraft­werks in klei­neren Anla­gen wie AS­DEX Up­grade nicht simu­lieren. Es ist also nicht völlig gewiss, dass diese Techni­ken in einer großen Anlage ebenso zuver­lässig funkti­onie­ren wer­den. Ausge­feilte Experi­mente an AS­DEX Up­grade konn­ten je­doch kürz­lich zeigen, dass dies für eine al­terna­tive, bisher weni­ger in Be­tracht gezo­gene Me­thode anders ist: Denn die neue Me­thode setzt ganz am äu­ßers­ten Plas­ma­rand an. Die dort vorzu­finden­den Plas­ma­werte jedoch sind für AS­DEX Up­grade und ein späte­res Kraft­werk gleich.

Ge­lingt es, hier – über das Mag­netfeld – die rich­tige Plas­ma­form einzu­stellen und zu­gleich – durch Einbla­sen von Was­ser­stoff – für eine genü­gend hohe Teil­chen­dichte am Plas­ma­rand zu sorgen, dann kön­nen sich ELMs nicht entwi­ckeln. Statt­dessen zeigen sich viele kleine Teil­chen­aus­brü­che. Sie fla­chen das Druck­profil am Plas­ma­rand immer wieder ab, be­vor sich ein zu steiler Druck­anstieg in ei­ner ELM-Insta­bilität entla­den kann: In bis zu 500 kleinen Pulsen pro Se­kunde kommt die Leis­tung aus dem Plasma quasi­konti­nuier­lich auf den Di­vertor­platten an – und zwar ohne die gute Wär­meiso­lation des Zentralplas­mas zu beein­trächti­gen.

Die klei­nen, hoch­fre­quen­ten Pulse richten nicht nur keinen Scha­den an, sie sind sogar nütz­lich. Denn sie werfen auch uner­wünschte Verun­reini­gungen aus dem Plas­ma­rand heraus. Die einge­stellte hohe Teil­chen­dichte am Plas­ma­rand schützt dar­über hinaus die Di­vertor­plat­ten. Außer­dem sorgt der ver­brei­terte Plas­ma­rand dafür, dass die im Diver­tor auf­tref­fende Leis­tung sich auf eine vier­fach grö­ßere Fläche ver­teilt. Selbst mit der etab­lierten Me­thode der Strah­lungs­küh­lung (siehe PI 12/12) ist das Verfah­ren verein­bar. Dabei wird zum weite­ren Schutz der Di­vertor­platten der Plas­ma­rand aktiv ge­kühlt: durch Einbla­sen kleiner Men­gen von Edelga­sen in das Zentralplasma und Stick­stoff direkt vor den Di­vertor­plat­ten. Diese Verun­reini­gungs­teil­chen wer­den beim Kon­takt mit dem heißen Plasma zum Leuch­ten an­geregt. So schaf­fen sie die Ener­gie auf sanfte Weise als Ult­ravio­lett- o­der Rönt­gen­licht aus dem Plasma. Bevor die schnel­len Plas­mateil­chen auf den Di­vertor­platten auf­pral­len, ha­ben sie ihre Ener­gie be­reits an die Verun­reini­gungs­atome verlo­ren.

Inzwi­schen konnte man an ASDEX Up­grade experi­men­tell ab­si­chern, dass das neue Verfah­ren mit allen wichti­gen Steuer­metho­den für das Plasma verein­bar ist. Diese Experi­mente wur­den vom Euro­päi­schen Fusi­onsfor­schungspro­gramm EURO­fusion finanzi­ell un­ter­stützt. „Wir konn­ten an ASDEX Up­grade zeigen, dass die quasi­konti­nuierli­che Ener­gieab­fuhr die we­sentli­chen Anfor­derun­gen an ein Kraft­werks­szena­rio er­füllt“, sagt Pro­jektlei­ter Profes­sor Arne Kallen­bach: „Unter zahlrei­chen Ansät­zen macht sie dies zu der inte­ressan­testen und er­folg­ver­spre­chendsten Be­triebs­weise für ein Kraft­werks­plasma“.

IPP / LK

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