Mikrowellen stabilisieren Fusionsplasma

Von weit her, vom Garchinger Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), kamen im Dezember 2007 die Steuerbefehle für die japanische Fusionsanlage JT-60 Upgrade im Naka Fusion Institute: Gemeinsam widmete man sich der Bekämpfung von Plasmastörungen. Denn damit es in einem Fusionskraftwerk zur Energie liefernden Verschmelzung von Atomkernen kommen kann, ist zuvor der Brennstoff – ein Wasserstoff-Plasma – auf Zündtemperaturen über hundert Millionen Grad aufzuheizen. Um die hohe Temperatur halten zu können, muss es gelingen, das Plasma in Magnetfeldern wärmeisolierend einzuschließen. Das komplexe Wechselspiel zwischen Plasmateilchen und magnetischem Käfig macht aber eine ganze Reihe von Instabilitäten möglich. Besonders ungeliebt sind so genannte „Neoklassische Tearing-Moden“: In großen Anlagen wie dem internationalen Testreaktor ITER oder einem späteren Kraftwerk könnten sie die Leistungsausbeute stark herabsetzen.

Gegenmittel wurden aber schon vor einigen Jahren an der Garchinger Anlage ASDEX Upgrade entwickelt. Hier bekämpft man die unerwünschte Plasmastörung durch Mikrowellen, die gezielt kritische Stellen im Plasma aufheizen. Ziel der kontinentübergreifenden japanisch-deutschen Messreihe war es nun, das Verhalten des Plasmas von JT-60 Upgrade direkt mit dem der Garchinger Anlage zu vergleichen. „So wollten wir die minimal nötige Mikrowellenleistung zum Auflösen der Plasmainstabilitäten bestimmen“, erklärt Professor Dr. Hartmut Zohm vom IPP.

In Garching hatten dazu die Wissenschaftler, darunter auch Doktorandin Laura Urso aus Italien, einige Plasma-Entladungen für JT-60 Upgrade programmiert. Am Experimentiertag wurden die Physikvorgaben aus Garching über eine gesicherte Datenleitung nach Japan geschickt und in das Computersystem der Anlage in Naka eingespeist. „Die so ausgelösten Entladungen konnten wir sofort in Form von Messkurven auf den Garchinger Bildschirmen begutachten, mit unseren Erwartungen vergleichen und Korrekturen für die nächsten Entladungen festlegen“, beschreibt Laura Urso.

Per Videokonferenz stand man mit dem japanischen Team auch persönlich in Verbindung: „Das Experimentieren hat so gut funktioniert, als wären wir vor Ort gewesen. Diese Art der internationalen Zusammenarbeit wird in Zukunft, zum Beispiel für ITER, sicher an Bedeutung gewinnen.“

Parallel zu diesen Experimenten arbeitet man an ASDEX Upgrade an der Verbesserung des Verfahrens und an seiner Anpassung an die speziellen Bedingungen bei ITER: Von der russischen Firma Gycom wurde dazu für ASDEX Upgrade ein Mikrowellensender mit zwei Frequenzen entwickelt, drei weitere Mehrfrequenz-Röhren werden demnächst erwartet. Anders als die heutigen Sender mit fester Frequenz soll nun die Frequenz variabel sein. So wird – über die frequenzabhängige Resonanz der Mikrowellen mit dem Magnetfeld – jede beliebige Stelle im Plasma für den Mikrowellenstrahl erreichbar. „Wo immer eine Plasmastörung auftaucht“, so Zohm, „kann sie dann anvisiert und aufgelöst werden.“

Die Arbeiten fließen ein in das Virtuelle Helmholtz-Institut „Fortschrittliche Mikrowellenheizung für ITER“ (Advanced ECRH for ITER) unter Leitung des IPP. Beteiligt sind das Forschungszentrum Karlsruhe, die Universitäten in Stuttgart und Karlsruhe, die Russische Akademie der Wissenschaften in Nihzny Novgorod sowie das Instituto di Fisica del Plasma in Mailand. „Die Mikrowellen für ITER sollen nach gegenwärtiger Planung noch von Einzelfrequenz-Sendern kommen“, erklärt Hartmut Zohm, „und zum Einspeisen in das Plasma sind Antennen vorgesehen, die den Mikrowellenstrahl mechanisch steuern.“ Eine Weiterentwicklung hin zu mehr Flexibilität – wie bei ASDEX Upgrade – verspräche jedoch große Vorteile: Das virtuelle Institut arbeitet daher an einem Multifrequenz-Sender für ITER. Ein ultraschneller, nicht-mechanischer Schalter für die leistungsstarken Mikrowellen hat sich als Prototyp bereits bewährt. „Damit kann das deutsche Fusionsprogramm eines der wesentlichen Hilfssysteme für ITER führend voranbringen“, meint Zohm. Multifrequenz-Sender werden zurzeit schon für ASDEX Upgrade entwickelt; auch die Erfahrungen mit der Mikrowellen-Anlage für Wendelstein 7-X, die in Größe und Frequenz mit dem ITER-System vergleichbar ist, werden für ITER wertvoll sein. So wird die Rolle deutscher Wissenschaftler an ITER gestärkt – nicht nur während des Baus, sondern auch beim Betrieb der Anlage. Dann nämlich werden Mikrowellen-Experimente von entscheidender Bedeutung für den Erfolg des ganzen Projektes sein.“