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Heisser als die Sonne - Heizung an Fusionsanlage ASDEX Upgrade aufgestockt

06.02.1998 - (idw) Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Heisser als die Sonne: Neutralteilchen-Heizung an ASDEX Upgrade erweitert

Am Fusionsexperiment ASDEX Upgrade im Max-Planck-Institut fuer Plasmaphysik (IPP) in Garching ging kuerzlich die zweite Stufe der Plasmaheizung mit Neutralteilchen in Betrieb. Zusammen mit den bereits vorhandenen Heizapparaturen stehen damit bis zu 27 Megawatt fuer die Heizung des Plasmas zur Verfuegung. In ersten Experimenten wurde - bei mittleren Plasmadichten - bereits eine Plasmatemperatur von 60 Mio Grad erreicht, bei niedrigen Plasmadichten sogar 100 Mio Grad - das vier- bzw. siebenfache der Sonnentemperatur. Mit der aufgestockten Heizung kann die Anlage nun Plasmen erzeugen, die kraftwerksaehnliche Bedingungen simulieren.

Ziel der Fusionsforschung ist es, die Energieproduktion der Sonne auf der Erde nachzuvollziehen: Ein Fusionskraftwerk soll Energie aus der Verschmelzung von Atomkernen gewinnen. Brennstoff ist ein duennes ionisiertes Gas, ein "Plasma" aus den Wasserstoffsorten Deuterium und Tritium. Zum Zuenden des Fusionsfeuers muss das Plasma in Magnetfeldern eingeschlossen und auf Temperaturen ueber 100 Millionen Grad aufgeheizt werden.

Die Neutralteilchen-Heizung ist ein leistungsfaehiges Verfahren zum Erhitzen des Plasmas: Schnelle Wasserstoffatome werden in das Plasma eingeschossen und dort eingefangen. Beim Zusammenstossen mit den Plasmateilchen geben sie ihre Energie weiter - die Plasmatemperatur steigt. Nach diesem bewaehrten Verfahren arbeitet bereits seit mehreren Jahren ein Neutralteilchen-Injektor an ASDEX Upgrade. Zusammen mit den Hochfrequenz-Heizungen waren damit an ASDEX Upgrade bisher insgesamt 16 Megawatt Heizleistung verfuegbar. Wesentliche Fragestellungen verlangen jedoch hoehere Heizleistung. Erst mit dem jetzt in Betrieb gegangenen zweiten Injektor und seiner Leistung von 7 bis 10 Megawatt kommen die Energiefluesse durch den Plasmarand in eine Groessenordnung, die vergleichbar mit den Verhaeltnissen in dem geplanten ITER (Internationaler Thermonuklearer Testreaktor) wird. Der Experimentalreaktor ITER, der gegenwaertig in weltweiter Zusammenarbeit geplant wird, soll erstmals ein gezuendetes Plasma erzeugen.

Technische Weiterentwicklung Eine wesentliche technische Verbesserung des zweiten Neutralteilchen-Injektors gegenueber seinem Vorgaenger ist eine neue, ITER-relevante Technologie fuer die Ionenquellen. Diese Ionenquellen sind das Herzstueck der Heizapparatur: Um Wasserstoffatome beschleunigen zu koennen, muessen sie zunaechst als geladene Teilchen - als Ionen - fuer die elektrischen Kraefte "greifbar" werden. Dies geschieht in der Ionenquelle: In der mit neutralem Wasserstoffgas gefuellten Kammer trennt ein elektrischer Kreisstrom, der von einem eingespeisten Hochfrequenzfeld induziert wird, die Atome von einem Teil ihrer Elektronen. Es entsteht ein kaltes Wasserstoff-Plasma, aus dem die positiv geladenen Wasserstoff-Ionen abgesaugt werden.

Diese Hochfrequenz-Plasmaquellen werden weltweit erstmalig im IPP zur Herstellung des Ionenstrahls verwendet. Der alte Neutralteilchen-Injektor benutzt stattdessen - wie bisher ueblich - Bogenquellen, die jedoch reparaturanfaellige Gluehkathoden benoetigen. Die neue Ionenquelle, deren Entwicklung von der Universitaet Giessen angestossen wurde, verspricht neben technischen Vereinfachungen eine erheblich hoehere Zuverlaessigkeit und Lebensdauer. Bei Ionentriebwerken in der Raumfahrt wird dies seit vielen Jahren ausgenutzt. Die mehrjaehrige Entwicklung im IPP bis zur Serienreife hat sich auch finanziell gelohnt: Der einfache Aufbau der Plasmaquellen bringt erhebliche Kosteneinsparungen mit sich, die auch fuer die in Greifswald entstehende Fusionsanlage WENDELSTEIN 7-X oder ITER nutzbar werden.

Die in der Plasmaquelle erzeugten Wasserstoffionen werden anschliessend durch drei hintereinanderliegende Elektroden beschleunigt. Vor dem Einschiessen in das Plasma muss der Ionenstrahl wieder neutralisiert werden, damit die schnellen Ionen nicht durch das Magnetfeld des Plasmakaefigs abgelenkt werden. Dazu durchlaufen die Ionen einen Gasvorhang, wo sie ihre Ladung abgeben und nun als schnelle neutrale Teilchen weiterfliegen. Zuvor muss jedoch der betraechtliche Strom an kaltem Neutralgas aus dem Neutralisator entfernt werden. Grossflaechige Titan-Getterpumpen, ebenfalls eine IPP-Entwicklung, binden das Gas, das sonst die Dichte, Temperatur und Reinheit des Plasmas unerwuenscht veraendern wuerde. Uebrig bleiben schliesslich die neutralisierten Teilchen, die mit hoher Geschwindigkeit von ueber 3000 Kilometern pro Sekunde in 10 Sekunden langen Pulsen durch ein Ventil in das Plasma schiessen. Dort werden sie im Magnetfeld eingefangen, wo sie ueber Stoesse ihre Energie an die Plasmateilchen abgeben.

Untersuchungen fuer ITER Mit der jetzt verfuegbaren Heizleistung der beiden Neutralteilchen-Injektoren von maximal 20 Megawatt kann ASDEX Upgrade - zusammen mit den bereits installierten 7 Megawatt Hochfrequenzheizung - nun ausreichend heisse und dichte Plasmen erzeugen. Damit kann die Anlage eines der wesentlichen Probleme der Fusionsforschung studieren: die Wechselwirkung zwischen dem heissen Plasma und den umgebenden Waenden. In einem spaeteren Fusionskraftwerk darf naemlich weder der heisse Brennstoff die Wand der Plasmakammer beschaedigen noch umgekehrt das Plasma durch abgeloestes Wandmaterial verunreinigt oder verduennt werden. Eine der Aufgabe von ASDEX Upgrade ist es, diesen Problemkreis unter kraftwerksaehnlichen Bedingungen zu untersuchen und Loesungen zu finden. Weitere Untersuchungsschwerpunkte sind die Einschlusseigenschaften sowie der Einfluss des Plasmarandes auf das Verhalten des Plasmazentrums und die Betriebsgrenzen der Maschine.

Dazu wurde die Anlage so geplant, dass wesentliche Plasmaeigenschaften - wie der Plasmadruck, die Plasmadichte und die Belastung der Waende - den Verhaeltnissen in einem spaeteren Fusionskraftwerk angepasst sind. Insbesondere soll durch genuegend hohe Heizleistung dafuer gesorgt werden, dass die Energiefluesse durch die Randschicht des Plasmas auf die Waende denen im Fusionskraftwerk moeglichst nahe kommen. Von geringerer Bedeutung ist hierfuer die erreichbare Temperatur im Plasmazentrum, die bei ASDEX Upgrade mit jetzt 100 Millionen Grad unter den im Europaeischen Gemeinschaftsexperiment JET oder den in Japan und den USA erreichten Werten von 300 bis 400 Millionen Grad liegt. Ausschlaggebend sind stattdessen der Plasmadruck und die Verhaeltnisse am Plasmarand. Letztere werden beschrieben durch das Verhaeltnis von Heizleistung zum Radius des Plasmaringes. Dieser Wert, der die "Kraftwerksaehnlichkeit" der Randschicht beschreibt, liegt bei ASDEX Upgrade jetzt doppelt so hoch wie bei JET und nur noch einen Faktor 3 unter dem Wert von ITER. Auch die wichtige Obergrenze fuer den Plasmadruck (im Verhaeltnis zum Druck des Magnetfelds) kann nun bei hoeherem, ITER-relevanten Magnetfeld erreicht und studiert werden. Unter den Experimenten des Europaeischen Fusionsprogrammes ist ASDEX Upgrade daher besonders geeignet, die Physik von Plasma-Zentrum und Randschicht fuer ITER zu untersuchen. Isabella Milch

Abbildung: Blick auf einen Teil der Neutralteilchenheizung: eine der neuartigen Ionenquellen, in denen die Ionen zur Herstellung des Teilchenstrahles erzeugt werden.


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