Neutralteilchen-Heizung für ITER

Im IPP wird die Ionenquelle für die Neutralteilchen-Heizung entwickelt, die das Plasma des internationalen Fusionstest­reaktors ITER auf viele Millionen Grad bringen soll.


Im IPP-Teststand ELISE (Extraction from a Large Ion Source Experiment) wird die Ionenquelle für die Neutralteilchen-Heizung entwickelt, die das Plasma des internationalen Fusionstestreaktors ITER auf viele Millionen Grad bringen soll: Schnelle Teilchen, die in das Plasma hineingeschossen werden, geben über Stöße ihre Energie an die Plasmateilchen ab und heizen sie damit auf.

Dazu werden in einer Ionenquelle zunächst negativ geladene Ionen erzeugt und dann durch ein elektrisches Feld auf die nötigen hohen Geschwindigkeiten beschleunigt.


In vier „Treibern“ (oben) werden Hochfrequenzwellen in Wasserstoffgas eingestrahlt. Sie erhitzen das Gas und zerlegen bzw. ionisieren einen Teil der Wasserstoffmoleküle. Das Video startet mit dem Vorglühen der Treiber mit Hilfe eines Glühfadens. Sobald die Hochfrequenz eingeschaltet wird, entsteht ein Plasma – ein helles Leuchten, das durch Zusammenstöße der Plasmateilchen mit Neutralgas entsteht, erfüllt die Kammer. <br /><br />Das Plasma, eine Mischung neutraler Wasserstoffatome, negativer Elektronen sowie meist positiv geladener Ionen, strömt auf die erste gitterförmige Elektrode (unten). Links hinten erkennt man etwas undeutlich die Öffnung, durch die verdampftes Cäsium eingespeist wird, das sich auf den Oberflächen der Ionenquelle ablagert. Aus der dünnen Cäsiumschicht können die Atome und Ionen des Wasserstoffs leicht Elektronen aufnehmen: So entstehen die für die ITER-Heizung benötigten negativ geladenen Wasserstoffionen.

1. Ionenquelle

In vier „Treibern“ (oben) werden Hochfrequenzwellen in Wasserstoffgas eingestrahlt. Sie erhitzen das Gas und zerlegen bzw. ionisieren einen Teil der Wasserstoffmoleküle. Das Video startet mit dem Vorglühen der Treiber mit Hilfe eines Glühfadens. Sobald die Hochfrequenz eingeschaltet wird, entsteht ein Plasma – ein helles Leuchten, das durch Zusammenstöße der Plasmateilchen mit Neutralgas entsteht, erfüllt die Kammer.

Das Plasma, eine Mischung neutraler Wasserstoffatome, negativer Elektronen sowie meist positiv geladener Ionen, strömt auf die erste gitterförmige Elektrode (unten). Links hinten erkennt man etwas undeutlich die Öffnung, durch die verdampftes Cäsium eingespeist wird, das sich auf den Oberflächen der Ionenquelle ablagert. Aus der dünnen Cäsiumschicht können die Atome und Ionen des Wasserstoffs leicht Elektronen aufnehmen: So entstehen die für die ITER-Heizung benötigten negativ geladenen Wasserstoffionen.



Die negativ geladenen Wasserstoffionen werden durch ein starkes elektrisches Feld durch die vielen Öffnungen des Gitters als einzelne Ionenstrahlen aus dem Plasma herausgezogen. Um die gleichzeitig herausgezogenen, aber unerwünschten Elektronen loszuwerden, behindert ein Quermagnetfeld im Plasma ihren Flug zum ersten Gitter. Die viel schwereren Ionen fliegen dagegen nahezu unbehindert weiter.

Mit dem Draht-Kalorimeter kann man die Qualität des Heizstrahles begutachten:

Das Gitter aus je 50 vertikal und horizontal gespannten, dünnen Wolfram­drähten ist direkt in den Weg des energiereichen Ionenstrahls montiert. Wird der Strahl eingeschaltet, beginnen die Drähte des Kalorimeters zu glühen. Mit einer Videokamera aufgezeichnet, lassen sich so die Position und der Querschnitt des Strahles beobachten. Auch seine Zusammensetzung aus den ursprünglichen acht Einzelstrahlen und eventuelle Ungleichmäßigkeiten werden sichtbar.

2. Draht-Kalorimeter

Das Gitter aus je 50 vertikal und horizontal gespannten, dünnen Wolfram­drähten ist direkt in den Weg des energiereichen Ionenstrahls montiert. Wird der Strahl eingeschaltet, beginnen die Drähte des Kalorimeters zu glühen. Mit einer Videokamera aufgezeichnet, lassen sich so die Position und der Querschnitt des Strahles beobachten. Auch seine Zusammensetzung aus den ursprünglichen acht Einzelstrahlen und eventuelle Ungleichmäßigkeiten werden sichtbar.



Nach der Beschleunigung durch zwei weitere Gitter haben die Ionen ein Spannungsgefälle von 60 Kilovolt durchlaufen. Die fingerdicken Einzelstrahlen verschmelzen dabei zu einem breiten Gesamtstrahl, dessen Querschnitt rund einen Quadratmeter groß ist.

Am Ende seines Weges durch den ELISE-Teststand trifft er auf das Diagnostik-Kalorimeter, das den Energieinhalt des Strahles misst:

Das per Wärmekamera aufgenommene Video zeigt, wie ein Heizstrahl auf der gut einen Quadratmeter großen, mit kleinen Kupferklötzchen und Thermo­elementen belegten Fläche zehn Sekunden lang seine glühende Signatur hinterlässt. Mit dem Kalorimeter kann man feststellen, wie nah man dem Ziel – einem energiereichen, fokussierten und homogenen Strahl – bereits gekommen ist.

3. Diagnostik-Kalorimeter

Das per Wärmekamera aufgenommene Video zeigt, wie ein Heizstrahl auf der gut einen Quadratmeter großen, mit kleinen Kupferklötzchen und Thermo­elementen belegten Fläche zehn Sekunden lang seine glühende Signatur hinterlässt. Mit dem Kalorimeter kann man feststellen, wie nah man dem Ziel – einem energiereichen, fokussierten und homogenen Strahl – bereits gekommen ist.



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