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ASDEX Upgrade: Kernfusion auf dem Weg in die Praxis

| Redakteur: Kristin Rinortner

Forschern an der Fusionsanlage ASDEX Upgrade im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching ist es gelungen, das Plasma eines Reaktors so zu steuern, dass Instabilitäten vermieden werden. Damit rückt der Betrieb eines Fusionskraftwerks in die praktische Nähe.

Blick in das Plasma der Fusionsanlage ASDEX Upgrade: Das einschließende Magnetfeld lenkt die Randschicht des Plasmas auf speziell ausgerüstete Platten am Boden des Plasmagefäßes, die Divertor-Platten.
Blick in das Plasma der Fusionsanlage ASDEX Upgrade: Das einschließende Magnetfeld lenkt die Randschicht des Plasmas auf speziell ausgerüstete Platten am Boden des Plasmagefäßes, die Divertor-Platten.
(Bild: IPP)

Fusionskraftwerke könnten die Energieprobleme klima- und umweltfreundlich lösen. Ähnlich wie die Sonne soll das Fusionskraftwerk aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnen. Die Rohstoffe für die Fusion sind in nahezu unerschöpflichen Mengen überall vorhanden. Ein Fusionskraftwerk wird keine klimaschädigenden Gase erzeugen und lässt günstige Sicherheitseigenschaften erwarten. Die Fusion könnte daher einen nachhaltigen Beitrag zur Energieversorgung der Zukunft leisten.

Weil das Fusionsfeuer erst bei Temperaturen über 100 Millionen °C zündet, darf der Brennstoff – ein dünnes Wasserstoffplasma – nicht in Kontakt mit kalten Gefäßwänden kommen. Von Magnetfeldern gehalten, schwebt der Brennstoff nahezu berührungsfrei im Inneren einer ringförmigen Vakuumkammer. Für den magnetischen Käfig haben sich zwei Bauweisen durchgesetzt: Tokamak und Stellarator.

Die Tokamak-Fusionsanlage ASDEX Upgrade in Garching

Mit ASDEX Upgrade – einer Fusionsanlage vom Typ Tokamak – entwickeln Forscher am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) Betriebsweisen für ein späteres Kraftwerk. Damit genügend Fusionsreaktionen ablaufen, muss das ultradünne, in einem magnetischen Käfig schwebende Plasma im Zentrum extrem heiß, am Rand jedoch möglichst kalt sein, um die Wände des Vakuumgefäßes nicht zu überlasten.

Ein spezielles Magnetfeld lenkt dazu den äußeren Rand des ringförmigen Plasmas auf robuste, gekühlte Platten am Boden des Gefäßes, die sogenannten Divertor-Platten. So lassen sich störende Verunreinigungen aus dem Plasma entfernen. Zugleich wird der heiße Innenbereich des Plasmas wirksam von der kälteren Hülle getrennt. Denn die vom Divertor-Feld geformte Randschicht hüllt das Zentralplasma wie ein wärmender Mantel ein – die Voraussetzung für gute Wärmeisolation.

Bild 1: Das Plasmagefäß der Fusionsanlage ASDEX Upgrade
Bild 1: Das Plasmagefäß der Fusionsanlage ASDEX Upgrade
(Bild: IPP, Bernhard Ludewig)

Damit der Divertor diese Funktionen erfüllen kann, sollten zusätzliche Belastungen vermieden werden. Besonders unerwünscht sind sogenannte Edge Localized Modes, kurz ELMs – eine der Störungen des Plasmaeinschlusses, die die komplexe Wechselwirkung zwischen den geladenen Plasmateilchen und dem einschließenden Magnetfeld möglich macht. Dabei verliert das Randplasma kurzzeitig seinen Einschluss und wirft periodisch Plasmateilchen und -energien nach außen auf die Divertor-Platten.

In der Regel wird ein Zehntel des gesamten Energieinhalts so schlagartig ausgeschleudert. Während die jetzige Generation mittelgroßer Fusionsanlagen dies leicht verkraftet, wäre der Divertor in Großanlagen wie ITER oder einem späteren Kraftwerk dieser Strapaze nicht gewachsen.

ITER (lat.: der Weg) ist ein Experimentalreaktor mit einer Fusionsleistung von 500 MW, der zurzeit in weltweiter Zusammenarbeit (Europäische Union, China, Indien, Japan, Korea, die USA und Russland) in Cadarache in Südfrankreich entsteht.

Verfahren zum Abschwächen oder Unterdrücken der ELMs, zum Beispiel durch magnetische Kontrollspulen, wurden an ASDEX Upgrade bereits erfolgreich entwickelt. Vollständig lässt sich der Plasmarand des Testreaktors ITER oder eines späteren Kraftwerks in kleineren Anlagen wie ASDEX Upgrade allerdings nicht simulieren.

Es ist also nicht völlig gewiss, dass diese Techniken in einer großen Anlage ebenso zuverlässig funktionieren werden. Ausgefeilte Experimente an ASDEX Upgrade zeigten jedoch, dass dies für eine alternative, bisher weniger in Betracht gezogene Methode anders ist: Denn die neue Methode setzt ganz am äußersten Plasmarand an. Die dort vorzufindenden Plasmawerte jedoch sind für ASDEX Upgrade und ein späteres Kraftwerk gleich.

Leistung durch kleine hochfrequente Pulse quasikontinuierlich abführen

Gelingt es, hier – über das Magnetfeld – die richtige Plasmaform einzustellen und gleichzeitig – durch Einblasen von Wasserstoff – für eine genügend hohe Teilchendichte am Plasmarand zu sorgen, dann können sich ELMs nicht entwickeln. Stattdessen zeigen sich viele kleine Teilchenausbrüche. Sie flachen das Druckprofil am Plasmarand immer wieder ab, bevor sich ein zu steiler Druckanstieg in einer ELM-Instabilität entladen kann: In bis zu 500 kleinen Pulsen pro Sekunde kommt die Leistung aus dem Plasma quasikontinuierlich auf den Divertor-Platten an – und zwar ohne die gute Wärmeisolation des Zentralplasmas zu beeinträchtigen.

Bild 2: Quasikontinuierliche Leistungsabfuhr im Plasmarand. Die kleinen, schnellen Pulse lassen sich mit Hilfe eines thermischen Heliumstrahls direkt beobachten. Eine lokal in den Plasmarand eingeblasene Helium-Wolke zeigt mit der Intensität ihres Aufleuchtens die kleinen Energie- und Teilchenausbrüche aus dem Plasmarand nach außen an.
Bild 2: Quasikontinuierliche Leistungsabfuhr im Plasmarand. Die kleinen, schnellen Pulse lassen sich mit Hilfe eines thermischen Heliumstrahls direkt beobachten. Eine lokal in den Plasmarand eingeblasene Helium-Wolke zeigt mit der Intensität ihres Aufleuchtens die kleinen Energie- und Teilchenausbrüche aus dem Plasmarand nach außen an.
(Bild: IPP, Michael Griener)

Die kleinen, hochfrequenten Pulse richten nicht nur keinen Schaden an, sie sind sogar nützlich. Denn sie werfen auch unerwünschte Verunreinigungen aus dem Plasmarand heraus. Die eingestellte hohe Teilchendichte am Plasmarand schützt darüber hinaus die Divertor-Platten. Außerdem sorgt der verbreiterte Plasmarand dafür, dass die im Divertor auftreffende Leistung sich auf eine vierfach größere Fläche verteilt.

Das Verfahren ist mit der etablierten Methode der Strahlungskühlung vereinbar. Dabei wird zum weiteren Schutz der Divertor-Platten der Plasmarand aktiv gekühlt: durch Einblasen kleiner Mengen von Edelgasen in das Zentralplasma und Stickstoff direkt vor den Platten. Diese Verunreinigungsteilchen 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. Bevor die schnellen Plasmateilchen auf den Divertor-Platten aufprallen, haben sie ihre Energie bereits an die Verunreinigungsatome verloren.

Inzwischen konnten die Forscher an ASDEX Upgrade experimentell absichern, dass das neue Verfahren mit allen wichtigen Steuermethoden für das Plasma vereinbar ist. Diese Experimente wurden vom Europäischen Fusionsforschungsprogramm EUROfusion finanziell unterstützt.

„Wir konnten an ASDEX Upgrade zeigen, dass die quasikontinuierliche Energieabfuhr die wesentlichen Anforderungen an ein Kraftwerksszenario erfüllt“, sagt Projektleiter Professor Arne Kallenbach. „Unter zahlreichen Ansätzen macht sie dies zu der interessantesten und erfolgversprechendsten Betriebsweise für ein Kraftwerksplasma“.

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