aktuell themen archiv links abo download impressum
    Suche
 
 
 
Ausgabe 01/2021
Fusionsforschung

30 Jahre ASDEX Upgrade

Ihr erstes Plasma erzeugte die Fusionsanlage ASDEX Upgrade am 21. März 1991. Seither wird sie im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching erfolgreich genutzt, um Betriebsweisen für ein künftiges Fusionskraftwerk zu entwickeln.


Das Plasmagefäß von ASDEX Upgrade
(Foto: Volker Rohde)

Bild vergroessern

Um nach dem Vorbild der Sonne aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie zu gewinnen, muss es gelingen, den Brennstoff – ein dünnes Wasserstoff-Plasma – stabil und nahezu berührungsfrei in magnetischen Feldern einzuschließen und auf hohe Temperatur über 100 Millionen Grad auf­zu­heizen. Zu diesem Zweck ist ASDEX Upgrade mit einer leistungsstarken Plasmaheizung ausgerüstet und mit einem besonderen Bauteil, einem Divertor. Er reguliert die Wechsel­wirkung zwischen dem heißen Brennstoff und den umgebenden Wänden des Plasmagefäßes. Dazu lenkt ein zusätzliches Magnetfeld den äußeren Rand des ringförmigen Plasmas auf robuste, gekühlte Platten am Boden des Gefäßes. So werden Verunreinigungen aus dem Plasma entfernt. Zugleich hüllt die vom Divertor-Feld geformte Randschicht das Zentralplasma wie ein wärmender Mantel ein – eine Voraussetzung für gute Wärmeisolation.

„Weil wichtige Eigenschaften des Plasmas sowie die Belastung der Wände den Verhältnissen in einem späteren Kraftwerk angepasst sind“, sagt Projektleiter Prof. Dr. Arne Kallenbach, „können wir mit ASDEX Upgrade unter kraftwerksähnlichen Bedingungen forschen“. Dazu gehören Fragen zum Material für die innere Wand des Plasmagefäßes: Die erfolgreichen Experimente an ASDEX Upgrade mit Wolfram – dem Metall mit dem höchsten Schmelzpunkt – wiesen größeren Anlagen den Weg: In einem Umbau erhielt das europäische Gemein­schafts­experi­ment JET einen Wolfram-Divertor. Der internationale Experimental­reaktor ITER entschied, auf den zunächst geplanten Kohlenstoff-Divertor zu verzichten und gleich auf Wolfram zu setzen. Für das Demonstrationskraftwerk ist Wolfram das Referenzmaterial.


Im Kontrollraum
(Foto: Elisabeth Jaletzke)
Bild vergroessern

Ein wichtiges Arbeitsthema ist der stabile Einschluss des Plasmas in seinem magne­ti­schen Käfig. Beim Wechselwirken der geladenen Plasmateilchen mit dem Magnet­feld können sich nämlich unterschiedlichste Störungen entwickeln: Zum Beispiel kann das Randplasma kurzzeitig seinen Einschluss verlieren und periodisch Plasmateilchen und -energie nach außen auf die Gefäßwände werfen. Während der mittelgroße ASDEX Upgrade dies verkraftet, könnte in Groß­anla­gen wie ITER der Divertor überlastet werden.

Auch in Inneren des Plasmas sind Instabili­täten unerwünscht. Wenn Temperatur und Druck in die Nähe der Zündwerte kommen, können hier „magnetische Inseln“ auftreten. Im vormals symmetrischen Plasmaring bilden sich dann blasenartige Störungen mit in sich geschlossener Magnetfeldstruktur. Es kommt quasi zu einem magnetischen Kurzschluss. Plasmatemperatur und -druck sinken über die Breite der Insel ab. Die Leistung eines späteren Kraftwerks würde darunter leiden.

Zu beiden Problemen konnte ASDEX Upgrade Lösungen finden. Randinstabilitäten lassen sich entweder durch eine gezielte Verformung des Magnetfeldes am Plasmarand vermeiden oder durch die maß­geschneiderte Einstellung der Plasmawerte am äußersten Plasmarand. Magnetische Inseln wiederum konnte man durch eingestrahlte Mikro­wellen in die Mitte einer entstehenden Insel auflösen. Nach diesem Vorbild enthalten die ITER-Pläne seither eine steuerbare Einkopplung für Mikrowellen.

„In vielerlei Hinsicht“, sagt Projektleiter Prof. Dr. Arne Kallenbach, „kann ASDEX Upgrade als ‚Blaupause‘ für ein Tokamak-Fusionskraftwerk angesehen werden. Die in 30 Jahren erarbeiteten Muster-Entladungen liefern zusammen mit neu entwickelten Computercodes verlässliche Informationen für ein Kraftwerk“.

Um sich für die Zukunft zu rüsten, will man demnächst ein neues Divertor-Konzept testen: Zwei zusätzliche Magnetspulen an der Decke des Plasmagefäßes sollen das Divertor-Feld so auffächern, dass sich die Leistung aus dem Plasma auf eine größere Fläche verteilt. Prototypen und ein Teststand für die Montage sind bereits fertiggestellt. Mitte 2022 soll der Einbau beginnen.

imi