Prinzip der Neutralinjektion

Die Neutralinjektion kommt weltweit an den meisten Fusionsexperimen­ten als leistungsstärkste Methode der Plasmaheizung zum Einsatz. Hierbei werden Strahlen schneller Wasserstoffatome mit mehreren Megawatt Leistung in das Fusionsplasma eingeschossen.

Im heißen Plasma werden die schnellen Wasserstoffatome des Neutralstrahls durch Stöße mit den Ionen und Elektronen im Plasma ionisiert und ebenfalls im Magnetfeld eingeschlossen. Anschließend übertragen diese schnellen Ionen durch Stöße ihre Energie an die Plasmaelektronen und -ionen und heizen so das Plasma. Darüber hinaus kann durch Neutralinjektion auch ein Strom im Plasma getrieben werden, der den induktiv getriebenen Strom im Plasma teilweise ersetzt.  Die Arbeitsgruppe Neutralinjektion am IPP baut und betreibt die Neutralinjektionen an ASDEX Upgrade und Wendelstein 7-X und führt Untersuchungen zum nicht-induktiven Stromtrieb durch.

Schema der Neutralteilchenheizung

Um die hochenergetischen, leistungsstarken Strahlen neutraler Wasserstoffatome zu erzeugen, wird zunächst aus einer Plasmaquelle ein Ionenstrahl extrahiert und beschleunigt. Da die schnellen Ionen aber durch das einschließende Magnetfeld des Fusionsplasmas abgelenkt würden, müssen sie auf dem Weg zum Plasmagefäß neutralisiert werden. Dies geschieht beim Durchlaufen eines Gastargets, das heißt eines bei geringem Druck mit neutralem Wasserstoff gefüllten Rohres. Der verbleibende Anteil nicht-neutralisierter Ionen wird durch einen Magneten kontrolliert auf einen Ionensumpf abgelenkt. 

Die typischen Teilchenenergien der meisten heutigen Anlagen liegen im Bereich von 50 keV bis 130 keV. Zum Vergleich liegt die thermische Plasmaenergie im Zentrum bei maximal 15 keV. Für die Neutralinjektion an ITER wird wegen dessen Größe eine deutlich höhere Teilchenenergie von 1 MeV benötigt. Bei dieser hohen Energie ist die Neutralisation positiver Wasserstoffionen sehr ineffizient. Daher müssen hierfür Ionenquellen verwendet werden, die negativ geladene Wasserstoffionen erzeugen. Die ITER-Referenzquelle wird in der Arbeitsgruppe Neutralinjektion am IPP entwickelt.

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