Dauerbetrieb der Tokamaks rückt näher

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

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

Die ihrer Natur nach in Pulsen arbeitenden Fusions­anlagen vom Typ Tokamak sind auf dem Weg zum Dauerbetrieb. In seiner Doktorarbeit untersuchte Alexander Bock, Wissen­schaftler im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching bei München, wie man den magne­tischen Käfig für das Plasma anders als üblich – und für Dauerbetrieb tauglich – aufrecht­erhalten kann. Mit Erfolg: In speziell geführten Entladungen an der Fusions­anlage ASDEX Upgrade gelang es, den 800 Kiloampere starken elektrischen Strom im Plasma von außen zu treiben – unter Bedingungen, die auch für den Testreaktor ITER oder ein Demonstrations­kraftwerk gelten.

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 ringförmigen Vakuum­kammer.

Für einen stabilen und dichten magnetischen Käfig müssen die Feldlinien innerhalb der kreis­förmigen Kammer in großen, ineinander­liegenden Schrauben umlaufen. So spannen sie geschlossene, ineinander geschachtelte Flächen auf – wie die Jahresring­flächen eines Baumstamms. 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.

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 Magnetkäfigs zwei sich über­agernde Magnet­felder: erstens ein ringförmiges Feld, das durch flache äußere Spulen erzeugt wird, und 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 IPP-Wissenschaftler Alexander Bock: „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. Anders ist dies übrigens bei Anlagen vom Typ Stellarator, deren weltweit größte – Wendelstein 7-X – kürzlich im Greifswalder Teil des IPP in Betrieb ging. Weil sie das gesamte Feld allein durch komplex geformte Spulen, d.h. ohne Plasma­strom aufbauen, ist hier Dauer­betrieb möglich.

Deshalb werden schon lange Methoden untersucht, auch in einem Tokamak Dauerbetrieb zu erreichen. Dabei wird der Strom im Plasma nicht pulsweise per Trans­formator, sondern kontinuierlich – zum Beispiel durch Einstrahlen von Hochfrequenz­wellen oder Einschießen von Teilchen­strahlen – erzeugt. In seiner Doktor­arbeit untersuchte Alexander Bock, welche Effekte sich damit erreichen lassen. Der große Vorteil: Mit einem zumindest teilweise von außen getriebenen Strom lässt sich das übliche 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 sogenannten 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 Alexander 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.

Dies 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 dies 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 800 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. Alexander 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“. (Quelle: IPP)

Link: Fusionsanlage ASDEX (A. Kallenbach), Max-Planck-Institut für Plasmaphysik IPP, Garching

Weiterer Bericht: Rekord-Heizung für ITER, energyviews.de, 19. März 2015

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