Panorama

Wendelstein 7-X vor neuen Höchstleistungen

19.09.2022 - Greifswalder Stellarator hat seine volle Ausbaustufe erreicht.

Drei Jahre lang hatten bei Wendel­stein 7-X vor allem Inge­nieure und Techniker das Sagen. Es ging darum, das Kern­fusions­experiment des Max-Planck-Insti­tuts für Plasmaphysik (IPP) am Stand­ort Greifs­wald auf seine volle Ausbau­stufe zu heben. Mit verdoppelter Heiz­leistung, 40 neuen Dia­gnos­tiken und 6,8 Kilometer Kühlrohren beginnen in diesem Herbst wieder die wissen­schaft­lichen Experimente, die in wenigen Jahren einen Plasma­betrieb von bis zu 30 Minuten ermöglichen sollen.

Wichtigstes neues Element des ver­besserten Stella­rators ist ein wasser­gekühlter Divertor (High-Heat-Flux-Divertor). Divertoren sind wichtige Bauteile in Fusions­anlagen, weil sie die vom Plasma getragene Energie­mengen und Teilchen abführen und somit deren ungünstigen Kontakt mit der Gefäß­wand sowie die Verun­reinigung des Plasmas verhindern. Dafür müssen die Divertor-Prall­platten hohe Tempe­raturen aushalten. Durch die 120 neuen Divertor-Module mit Kühlsystem kann Wendel­stein 7-X nun mit deutlich höheren Plasma­energien betrieben werden. Dafür und für andere Kompo­nenten von Wendel­stein 7-X wurden insgesamt 6,8 Kilometer Kühl­rohre – unterschiedlich in Form und Dicke – gefertigt, isoliert, eingepasst und verschweißt. Insgesamt 657 von­einander unabhängige Kühl­kreis­läufe führen die Wärme im Wendel­stein 7-X ab.

Die künftig möglichen höheren Plasma­energien erzeugen die drei Heiz­systeme mit insgesamt mehr als ver­doppelter Leistung:

  • Die neue Ionenheizung mit Radiowellen kann maximal 1,5 Megawatt Leistung einspeisen,
  • die Heiz­leistung der Neutral­teilchen­injektion wurde auf 7 Mega­watt verdoppelt und
  • die Elektronen­heizung mit Mikro­wellen wurde auf 10 Mega­watt erweitert.

60 Kilo­meter Kabel und Schläuche wurden installiert – zusätzlich zu den bereits vorhandenen 280 Kilometern. Zusätz­lich wurden 40 Dia­gnostiken erweitert oder neu installiert, um das Plasma genauer und umfang­reicher vermessen zu können.

Von diesem Herbst an werden nun wieder Wissen­schaftle­rinnen und Wissen­schaftler in einem international zusammen­gesetzten Team Wendel­stein 7-X zu neuen Höchst­leistungen treiben. „Mit der verbesserten Aus­stattung wollen wir in wenigen Jahren Hoch­leistungs-Plasmen mit bis zu 18 Giga­joule Energie­umsatz über eine halbe Stunde stabil halten“, erklärt Prof. Dr. Thomas Klinger, Leiter des Bereichs Stella­rator-Dynamik und -Transport am Max-Planck-Institut für Plasma­physik in Greifswald. „Jetzt wird es darum gehen, uns Schritt für Schritt an dieses Ziel heran­zutasten und mehr über den Plasma­betrieb bei höheren Energien zu lernen, ohne die Maschine zu schnell zu stark zu belasten.“ Allein für die kommende Experiment­kampagne (OP 2.1), die voraus­sichtlich bis Ende März 2023 andauern wird, wurden mehrere hundert Experiment­vorschläge eingereicht – von Forschenden aus dem IPP und zahl­reichen inter­nationalen Instituten sowie Universitäten aus der EU, den USA und Japan.

„Eine wichtige Aufgabe wird darin bestehen, zu lernen, wie wir die im Plasma ankommende Heiz­energie und damit die Plasma­tempe­raturen steigern können“, sagt Prof. Klinger. Bis zu einem Giga­joule Energieumsatz ist in dieser Phase geplant (der Energieumsatz ist die ein­ge­koppelte Heiz­leistung multi­pliziert mit der Dauer der Entladung). Vor dem Umbau lag der Best­wert bei 75 Megajoule. Der Energie­gehalt, also die Bewegungs­energie aller Plasma­teilchen, konnte damals auf bis zu 1 Megajoule gesteigert werden – das ist der bis heute geltende Welt­rekord für Stella­ratoren. Es gelangen zudem langlebige Plasmen von 100 Sekunden Dauer bei guten Plasma­kenn­größen.

In früheren Experimenten hatte sich gezeigt, dass zwar das Aufheizen der Elektronen im Plasma sehr erfolg­reich war. Sie sollen ihre Energie an­schließend an die Ionen weitergeben. Die Ionen erreichten jedoch noch nicht die erwarteten Temperaturen. Im Zusammen­hang damit wird die Erforschung von Turbu­lenzen, die im Plasma auftreten, wichtig sein. Sie haben in Stella­ratoren einerseits eine wichtige Funktion, weil sie Ver­un­reinigungen im Plasma entfernen. Anderer­seits behindern sie den Energietransport. Und den wollen die Forschenden in Greifswald in den bevor­stehenden Experimenten deutlich besser verstehen und kontrol­lieren.

Ziel der Fusions­forschung ist es, ein klima- und umwelt­freundliches Kraft­werk zu entwickeln. Ähnlich wie die Sonne soll es aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnen. Weil das Fusions­feuer erst bei Tempe­raturen über 100 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 Vakuum­kammer. Den magnetischen Käfig von Wendel­stein 7-X erzeugt ein Ring aus 50 supra­leitenden Magnet­spulen. Ihre speziellen Formen sind das Ergebnis ausge­feilter Optimierungs­rechnungen. Mit ihrer Hilfe soll die Qualität des Plasma­­einschlusses in einem Stella­rator das Niveau der konkur­rierenden Anlagen vom Typ Tokamak erreichen.

IPP / LK

 

 

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