Heißes Plasmazentrum, kalter Rand

Wie es gelingt, ein viele Millionen Grad heißes Fusionsplasma einzuschließen, ohne die Wand des Plasmagefäßes zu überlasten, hat jetzt die Garchinger Forschungsanlage ASDEX Upgrade gezeigt. Bezogen auf die Anlagengröße hat sie dabei Weltrekord für die Heizleistung erreicht.

Plasma der Fusionsanlage ASDEX Upgrade (Foto: IPP)

Damit ein Fusionskraftwerk – ähnlich wie die Sonne – aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnen kann, muss der Brennstoff auf Zündtemperaturen über 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Dazu schließt man das ultradünne Wasserstoff-Plasma nahezu berührungsfrei in einem Magnetfeldkäfig ein. Ganz ohne Wandkontakt geht es jedoch nicht: Um störende Verunreinigungen aus dem Plasma zu entfernen, lenkt ein spezielles Magnetfeld den Rand des ringförmigen Plasmas auf besonders robuste, gekühlte Platten am Boden des Gefäßes.

Die für ein Kraftwerk angezielte Wärmebelastung dieser Platten liegt bei 5 Megawatt pro Quadratmeter. Dazu gilt es, den Plasmarand möglichst kalt einzustellen – und dennoch im Zentrum 150 Millionen Grad zu halten. Für die nötige Wärmeisolation sorgt vor allem das schalenförmig aufgebaute Magnetfeld, das die Bewegung von Teilchen aus dem heißen Zentrum nach außen stark bremst. Durch Einblasen kleiner Mengen von Argon am Plasmarand und Stickstoff direkt vor den Bodenplatten wurde dem an ASDEX Upgrade noch nachgeholfen: Die schweren Teilchen werden beim Kontakt mit dem heißen Plasma zum Leuchten angeregt. So schaffen sie die Energie auf sanfte Weise als Ultraviolett- oder Röntgenlicht aus dem Plasma. Anders als im heißen Zentrum, wo diese abkühlende Wirkung von Verunreinigungen vermieden werden muss, ist sie am Rand des Plasmas sehr nützlich: Bevor die schnellen Plasmateilchen auf den Divertorplatten aufprallen, haben sie ihre Energie bereits an die Stickstoff- und Argon-Atome verloren.

Die Bilder einer Wärmekamera zeigen die Wirkung der Plasmakühlung (Fotos: IPP)

Über eine ausgeklügelte Rückkopplungs-Regelung wurden Stickstoff- und Argonzufuhr unabhängig voneinander in Echtzeit gesteuert. Abhängig vom Leistungsfluss auf die Bodenplatten dreht sie die Gasventile in Millisekunden auf- oder zu: So bleibt die Wandbelastung – trotz der hohen Heizleistung von 23 Megawatt für das Drei-Milligramm-Plasma – stets im Zielbereich. Die so in dem vergleichsweise kleinen Plasma deponierte Heizleistung ist Weltrekord: Bislang unerreichte 14 Megawatt pro Meter betrug die auf den Anlagenradius bezogene Heizleistung. Zugleich weisen die Plasmen im Zentrum die gewünschte hohe Reinheit, hohe Temperatur und gute Wärmeisolation auf. „Wir sind zuversichtlich“, sagt Projektleiter Prof. Dr. Arne Kallenbach, „dass mit diesem Verfahren auch die viel höheren Leistungsflüsse in einem späteren Kraftwerk zu bewältigen sind“.

imi