Einführung: Der Tokamak ASDEX Upgrade

ASDEX Upgrade erarbeitet wesentliche Kenntnisse für den Testreaktor ITER, der erstmals ein energielieferndes Plasma realisieren soll, sowie für das darauf folgende Demonstrationskraftwerk DEMO.


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Montagearbeiten im Plasmagefäß. Die Wände sind mit Wolfram-Kacheln verkleidet. Am Boden sind die Prallplatten des Divertors zu sehen. Hinter der Mittelsäule liegt die Transformatorspule, das Plasmagefäß ist von Haupt- und Vertikalfeldspulen umgeben.

Ihren Namen – Axialsymmetrisches Divertorexperiment – verdankt die Anlage einer speziellen Magnetfeldanordnung, dem Divertor. Mit seiner Hilfe lässt sich die Wechselwirkung zwischen dem heißen Brennstoff und den umgebenden Wänden beeinflussen: Das Divertorfeld lenkt die äußere Randschicht des Plasmas auf Prallplatten ab. So werden störende Verunreinigungen aus dem Plasma entfernt, zugleich wird die Gefäßwand geschont und eine gute Wärmeisolation des inneren Plasmas erreicht. Diese Arbeiten an ASDEX Upgrade und seinem Vorgänger ASDEX legten die Grundlagen für den Experimentalreaktor ITER.

Um unter kraftwerksähnlichen Bedingungen experimentieren zu können, sind in ASDEX Upgrade wesentliche Plasmaeigenschaften, vor allem die Dichte des Plasmas, der Druck und die Belastung der Wände, den Verhältnissen in einem späteren Kraftwerk angepasst.

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ASDEX Upgrade im Querschnitt: Insgesamt 33 Haupt- und Vertikal-Magnetspulen bauen den magnetischen Käfig für das Plasma auf. Er schließt den Plasmaring ein; die Vertikalfeldspulen sorgen für einen elliptischen Querschnitt mit einem X-Punkt über den Divertorplatten am Boden des Plasmagefäßes.
Während einer Entladung steuert ein Computer das Spulensystem. In Echtzeit berechnet er anhand zahlreicher Messdaten die Ist-Werte für Lage und Form des Plasmas und korrigiert die Spulenströme entsprechend, um die Soll-Werte einzuhalten.

Der Plasmaring besitzt einen Radius von 1,60 Meter und ein Volumen von 13 Kubikmetern. Von magnetischen Kräften gehalten, schwebt das Plasma in einem stählernen Gefäß, dessen innere Wand – weltweit einmalig– mit Kacheln aus dem Metall Wolfram bedeckt ist. Das einschließende Magnetfeld wird im wesentlichen von 16 großen kupfernen Magnetspulen erzeugt, die auf das ringförmige Plasmagefäß aufgefädelt sind. Zusammen mit den 17 Zusatzspulen – für den Divertor sowie die Form- und Lageregelung des Plasmas – sowie den Abstützungen für die Magnetspulen erreicht das insgesamt 9 Meter hohe Experiment ein Gewicht von 800 Tonnen.

Für die Plasmaheizung stehen drei unterschiedliche Heizverfahren zur Verfügung: die Neutralteilcheninjektion mit einer Leistung von maximal 20 Megawatt, 6 Megawatt Hochfrequenzheizung, in der Frequenz abstimmbar zwischen 30 und 120 Megahertz und 4 Megawatt Mikrowellenheizung bei einer Frequenz der eingestrahlten Mikrowellen von 140 Gigahertz.

Die schnellen Neutralteilchen werden von zwei Injektoren durch große Öffnungen in das Plasma eingeschossen. Die Hochfrequenzheizung wird über vier in das Plasmagefäß eingebaute Antennen eingekoppelt, von denen jede durch einen eigenen Generator versorgt wird. Die in vier Mikrowellensendern – so genannten Gyrotrons – erzeugten Mikrowellen werden über vier bewegliche Spiegel in das Plasmagefäß eingespeist.

Das Plasma wird mit etwa 40 Diagnostiken untersucht. Pro Entladung werden bis zu 4 Gigabyte Rohdaten aufgenommen. Ein Teil der Messergebnisse steht nach weniger als zehn Millisekunden für die Feedback-Kontrolle des Plasmas zur Verfügung.

Die elektrische Energie für die Versorgung der Magnetfeldspulen und der Plasmaheizungen von ASDEX Upgrade liefern große Schwungradgeneratoren.


Technische Daten:
Gesamthöhe der Anlage 9 Meter
Großer Plasmaradius 1,6 Meter
Kleine Plasmaradien 0.5 / 0.8 Meter
Magnetfeld 3,9 Tesla
Plasmastrom 2 Megaampere
Pulsdauer 10 Sekunden
Plasmaheizung 27 Megawatt
Plasmavolumen 13 Kubikmeter
Plasmamenge 3 Milligramm
Plasmazusammensetzung Wasserstoff, Deuterium
Plasmadichte 2 x 1020 Teilchen pro m3
Plasmatemperatur 100 Millionen Grad


ASDEX Upgrade verzichtet beim Experimentieren auf den Einsatz des radioaktiven Fusionsbrennstoffs Tritium. Aber auch in dem Modellplasma aus normalem Wasserstoff und Deuterium laufen bereits Verschmelzungsreaktionen ab. Zum Abschirmen der dabei entstehenden Fusionsneutronen wurde das Experiment in einer Halle mit 2 Meter dicken Betonwänden und einer 1,80 Meter dicken Decke aufgebaut. Sie kann die jährlich erzeugte Menge von maximal 1019 Neutronen sicher auffangen. Die Aktivierung der Apparaturen bleibt dabei so gering und klingt so rasch ab, dass das Experiment außerhalb der Betriebszeiten zugänglich ist.

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