Physiker erzeugen Weltrekord-Plasma

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Fortschritt auf dem Weg zum brennenden Plasma

Die Verbesserungen an Wendelstein 7-X haben es ermöglicht, dass ein neuer Rekordwert für das „Fusionsprodukt“ erzielt wurde. Dieses Produkt aus Ionentemperatur, Plasmadichte und Energieeinschlusszeit gibt an, wie nahe man den Reaktorwerten für ein brennendes Plasma kommt – etwa 2 x 10²⁹ Grad Celsius mal Sekunde pro Kubikmeter.

Bei rund 40 Millionen Grad Ionentemperatur und einer Dichte von 0,8 x 10²⁰ Teilchen pro Kubikmeter hat Wendelstein 7-X ein Fusionsprodukt von gut 6 x 10²⁶ Grad Celsius mal Sekunde pro Kubikmeter erreicht – weltweiter Stellarator-Rekord. „Dies ist ein für die Größe der Maschine ausgezeichneter Wert, der zudem unter realistischen Bedingungen, d.h. bei hoher Temperatur der Plasma-Ionen erreicht wurde“, so Pedersen.

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Fusionsforschung – Verschmelzung von Atomkernen

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, etwa 3,5 Meter hohen Magnetspulen. Ihre speziellen Formen sind das Ergebnis ausgefeilter Optimierungsrechnungen. Obwohl Wendelstein 7-X keine Energie erzeugen wird, soll die Anlage beweisen, dass Stellaratoren kraftwerkstauglich sind. Mit Wendelstein 7-X soll die Qualität des Plasma-Einschlusses in einem Stellarator erstmals das Niveau der konkurrierenden Anlagen vom Typ Tokamak erreichen. Insbesondere soll die Anlage das wesentliche Plus der Stellaratoren vorführen, die Fähigkeit zum Dauerbetrieb.

Auch die erzielte Energieeinschlusszeit – ein Maß für die Güte der Wärmeisolation des magnetisch eingeschlossenen Plasmas – deute mit beachtlichen 200 Millisekunden darauf hin, dass die Wendelstein 7-X zugrundeliegende rechnerische Optimierung greift, sagt der Wissenschaftler.

Unerwünschter Bootstrap-Strom reduziert

Dass die Optimierung nicht nur bezüglich der Wärmeisolation Wirkung zeigt, belegt die jetzt abgeschlossene Auswertung von Messdaten aus der ersten Experimentierkampagne von Dezember 2015 bis März 2016. Sie zeigt, dass sich auch der so genannte Bootstrap-Strom wie gewünscht verhält. Dieser elektrische Strom wird von Druckunterschieden im Plasma hervorgerufen und könnte das maßgeschneiderte Magnetfeld verformen. Teilchen aus dem Plasmarand träfen dann nicht mehr an den richtigen Stellen auf den Divertor auf. Der Bootstrap-Strom sollte in Stellaratoren daher so klein wie möglich sein.

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Blick in das Plasmagefäß der Fusionsanlage Wendelstein 7-X

Stellarator-Weltrekord für das „Fusionsprodukt“ in Wendelstein 7-X. Das Produkt aus Ionentemperatur, Plasmadichte und Energieeinschlusszeit gibt an, wie nahe man den Werten für ein brennendes Plasma kommt.

Das rechnerisch optimierte Magnetfeld (gelb) der Stellarator-Anlage Wendelstein 7-X in Greifswald. Es wird von speziell geformten Magnetspulen (blau) hergestellt.

Dass dies in der optimierten Feldgeometrie von Wendelstein 7-X tatsächlich gelungen ist, hat die Analyse nun bestätigt. „Damit konnte bereits die erste Experimentkampagne wichtige Aspekte der Optimierung verifizieren“, sagt Erstautor Dr. Andreas Dinklage: „Eine genauere und systematische Evaluierung wird in künftigen Experimenten bei deutlich höherer Heizleistung und höherem Plasmadruck folgen“.

Nächster Schritt: Entladungen für eine halbe Stunde

Seit Ende 2017 liefen an Wendelstein 7-X weitere Ausbauten: Unter anderem wurden neue Messgeräte und Heizsysteme installiert. Im Juli dieses Jahres sollen die Plasmaexperimente wieder beginnen. Ab Herbst 2018 ist dann ein größerer Ausbau geplant: Die jetzigen Graphitkacheln des Divertors werden durch kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoff-Elemente ersetzt, die zusätzlich wassergekühlt sind. Sie sollen bis zu 30 Minuten lange Entladungen möglich machen, in denen überprüft werden kann, ob Wendelstein 7-X seine Optimierungsziele auch dauerhaft erfüllt.

Originalpublikation: Andreas Dinklage et al.: Magnetic configuration effects on the Wendelstein 7-X stellarator.. Nature Physics, 21. Mai 2018, DOI:10.1038/s41567-018-0141-9

* I. Milch, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, 17491 Greifswald

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Versuche zur Kernfusion in Greifswald

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