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Plasma-Stabilität nach Maß

aus der Forschung des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik
Foto Regelspuleneinbau

Einbau von Regelspulen in das Plasmagefäß der Fusionsanlage ASDEX Upgrade. Foto/Grafik: IPP/V. Rohde.mehr lesen

Während auf dem Bauplatz in Cadarache in Südfrankreich die Gebäude in die Höhe wachsen, die den internationalen Fusionstestreaktor ITER aufnehmen sollen, laufen weltweit die physikalischen Feinarbeiten. Als Vorstufe für ein Demonstrationskraftwerk soll ITER (lateinisch: „der Weg“) aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnen – ähnlich wie die Sonne. Der Brennstoff, ein dünnes Wasserstoffplasma, ist dazu berührungsfrei in einem Magnetfeldkäfig einzuschließen und dann auf Zündtemperaturen über 100 Millionen Grad aufzuheizen. Doch noch gibt es offene Fragen:

Zu den offenen Fragen, die zurzeit heftig diskutiert werden, zählen auch energiereiche Eruptionen am Plasmarand. Mit diesen Edge Localized Modes, kurz ELMs, verliert das Randplasma kurzzeitig seinen Einschluss und wirft periodisch Plasmateilchen und -energien gebündelt und schlagartig nach außen auf die Gefäßwand. Bis zu einem Zehntel des gesamten Energieinhalts wird so ausgeschleudert. „Während heutige Anlagen das leicht verkraften können, gäbe es im viel größeren ITER Probleme. Hier würden einige Wandpartien überlastet,“ erklärt Dr. Wolfgang Suttrop vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching: „Dauerbetrieb wäre so undenkbar“.

ELM-Instabilitäten haben auch eine Funktion

Völlig unwillkommen ist die ELM-Instabilität jedoch nicht, denn sie wirft auch störende Verunreinigungen aus dem Plasma heraus. So kann sie für besonders saubere Plasmen sorgen. Statt der üblichen starken Einschläge wünscht man sich deshalb schwächere und dafür häufigere ELMs. Die eigentlich im letzten Jahr fällig gewesene 100 Millionen Euro-Entscheidung darüber, wie dieses Maßschneidern erreicht werden könnte, hatte das ITER-Team vertagt, um den Einbau spezieller Regelspulen an der Garchinger Fusionsanlage ASDEX Upgrade abzuwarten. Denn andere Anlagen waren mit ähnlichen Spulen zu widersprüchlichen Resultaten gekommen.

Ausmaß der ELM-Instabilitäten lässt sich regeln

Die von Wolfgang Suttrop in Form, Anordnung und Steuerung konzipierten magnetischen Regelspulen wurden an der Wand des Plasmagefäßes von ASDEX Upgrade eingebaut. Nach Ende der knapp einjährigen Umbauzeit waren gleich die ersten Experimente mit den neuen Spulen erfolgreich. Mit ihrer Hilfe gelingt es, die ELM-Instabilitäten des Plasmas auf das gewünschte Maß zu stutzen: Kurz nachdem der Strom in den acht kleinen Kontrollspulen eingeschaltet wird, schwächen sich die ELM-Einschläge auf harmlose Stärke ab. Sie werden jedoch häufig genug, um die Ansammlung von Verunreinigungen im Plasma zu verhindern. Auch der gute Einschluss des Hauptplasmas bleibt erhalten. Ihre ursprüngliche Schlagkraft gewinnen die ELMs erst bei abgeschaltetem Spulenfeld wieder zurück. „Mit diesem experimentellen Ergebnis ist die Frage, wie die im ITER-Plasma erzeugte Energie auf verträgliche Weise ausgekoppelt werden kann, ihrer Antwort ein großes Stück näher gekommen“, so Plasmaphysiker Suttrop.

Plasmaverhalten beeinflussen lernen

Allerdings lässt sich der Plasmarand des großen ITER in kleineren Anlagen nicht komplett simulieren. Die Theorie-Abteilung des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik ist jedoch auf gutem Weg, die zugrunde liegenden Vorgänge genau zu verstehen und zu berechnen. Zu dieser systematischen experimentellen und theoretischen Arbeit kommt der Vergleich mit dem Plasmaverhalten in anderen Anlagen hinzu. Hierbei arbeitet das Garchinger Team zum Beispiel mit der amerikanischen Fusionsanlage DIII-D in San Diego zusammen. Bis zur 2012 anstehenden Entscheidung bei ITER hat man Zeit, das Problem für den Testreaktor – und für ein künftiges Kraftwerk – zu lösen.   

Die Möglichkeiten der Kontrollspulen an ASDEX Upgrade sind dann jedoch noch lange nicht ausgereizt: Acht weitere Spulen sollen ab 2012 eine Vielzahl neuer Untersuchungen möglich machen.

Isabella Milch

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24.04.2014

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