Plasmadiagnostik für Wendelstein 7-X

Das Plasma von Wendelstein 7-X wird durch zahlreiche Messgeräte oder „Diagnostiken“ beobachtet.


Wendelstein 7-X von oben (links) und unten (rechts). Die 153 Diagnostikstutzen sind rot gekennzeichnet. Ein Diagnostiksystem kann mehrere Stutzen belegen. Wiederum können sich auch bis zu zehn Diagnostiken einen Stutzen teilen.

Von den insgesamt 254 Stutzen, die in das Plasma führen, stehen für die unterschiedlichen Messgeräte 153 Stutzen zur Verfügung.

In der gegenwärtigen Umbauphase werden bereits vorhandene Messinstrumente umfangreich erweitert und weiterentwickelt sowie neue Messsysteme eingebaut, um die Plasmaeigenschaften in allen Details erkunden zu können. Da Wendelstein 7-X reaktorrelevante Plasmen für 30 Minuten untersuchen soll, müssen alle Diagnostiken großen thermischen und mechanischen Belastungen widerstehen können. Zudem müssen sie gegen die Mikrowellenstrahlung der Plasmaheizung sowie gegen Teilchen- und Röntgenstrahlen abgeschirmt sein.
 

Zehn Kameras überwachen den gesamten Innenraum der Maschine, um unerwünschte Betriebszustände aufzudecken, zum Beispiel den Kontakt des Plasmas mit Strukturelementen, und an die Sicherheitssteuerung zu übermitteln. Das rechte Foto wurde von einer der Kameras während einer Plasmaentladung aufgenommen.

Am Wendelstein 7-X kommen rund 45 Diagnostiken zum Einsatz: Sie liefern Daten für die wissenschaftliche Untersuchung des Plasmas, kontrollieren die Plasmawerte oder gewährleisten den sicheren Betrieb der Anlage. Die Messgeräte nutzen unterschiedlichste physikalische Effekte zur Diagnostik aus. Ziel ist es, die Eigenschaften des Plasmas zu erkunden, ohne es dabei zu stören.

Zu den sogenannten Betriebsdiagnostiken gehören unter anderem diverse Video- und Infrarotkameras, die in Echtzeit die erste Wand überwachen, um Überhitzungen zu vermeiden. Besonderes Augenmerk wird hier auf die am stärksten belastete Komponente gelegt, den Divertor.
 

Thomson-Streuung-Diagnostik: Hier werden Laserstrahlen in Schutzrohren an das Plasmagefäß herangeführt und mit Umlenkspiegeln durch das Plasma geleitet. Das an den Elektronen gestreute Licht sammeln zwei Objektive auf und führen es durch Lichtwellenleiter zur Analyseeinheit. Mit Hilfe einer begehbaren Stützstruktur lassen sich die Bauteile millimetergenau ausrichten. Aus dem Spektrum und der Intensität des gestreuten Lichts lassen sich die lokale Temperatur und die Dichte der Elektronen bestimmen.

Um das Plasma analysieren und sein komplexes Verhalten möglichst vollständig verstehen zu können, muss eine große Anzahl verschie­de­ner Plasmawerte gleichzeitig bestimmt werden. Dies sind die Dichte der Elektronen und der Ionen, die Art und Dichte von Verunreini­gungen im Plasma, die Temperatur der Elektronen und Ionen, die sich je nach den eingesetzten Heizszenarien erheblich unterscheiden können, die im Plasma gespeicherte Energie, der Plasmadruck, der Strahlungsverlust, Ströme und elektrische Felder im Plasma und viele andere.

Viele Werte sind abhängig vom Ort der Messung. So erreichen die Elektronentemperatur und -dichte typischerweise im Plasmazentrum Maximalwerte, während die Werte am Plasmarand je nach Plasma-Szenario wesentlich kleiner sein können. Daher werden die Eigenschaften des Plasmas als Profile über den gesamten Plasmaquerschnitt bestimmt.
 

20 Lochblendenkameras messen entlang von 360 Sichtlinien das Röntgenlicht, das von Verunreinigungen im Plasma ausgesendet wird. Mit Verfahren der Computertomografie lassen sich aus diesen Daten die Dynamik von Plasma-Instabilitäten sowie die Form der ineinander geschachtelten magnetischen Flussflächen berechnen. Rechts sind die vier Segmente der Diagnostik vor dem Einbau in das Plasmagefäß zu sehen.

Das Diagnostiksystem ist redundant ausgelegt, d.h. eine bestimmte physikalische Größe, zum Beispiel die Elektronen-Temperatur, wird gleichzeitig von mehreren verschie­de­nen Messsystemen aufgenommen, die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhen. So lassen sich systematische Fehler ausschließen.

Wichtig für das Verständnis der Prozesse im Plasma sind auch Messungen zum turbulenten Transport von Teilchen und Energie in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung.

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