Die zweite Experimentierrunde

September bis November 2017;  Juli bis Oktober 2018

Bllick in das Plasmagefäß der Fusionsanlage Wendelstein 7-X

Im Unterschied zur ersten Experimentierrunde 2015/16 ist das Plasmagefäß von Wendelstein 7-X seit September 2017 mit einer Innenverkleidung ausgerüstet. Kacheln aus Grafit bedecken jetzt die Gefäßwände und machen höhere Temperaturen und längere Plasmaentladungen möglich. Mit dem sogenannten Divertor lässt sich darüber hinaus die Reinheit und Dichte des Plasmas regeln: In zehn breiten Streifen an der Wand des Plasmagefäßes folgen seine Kacheln der verwundenen Kontur des Plasmarandes. So schützen sie speziell die Wandbereiche, auf die entweichende Teilchen aus dem Rand des Plasmaringes gezielt gelenkt werden. Zusammen mit Verunreinigungen werden die auftreffenden Teilchen hier neutralisiert und abgepumpt.

Die ersten Erfahrungen mit den neuen Wandelementen waren ausgesprochen positiv: Waren am Ende der ersten Kampagne Pulsdauern von sechs Sekunden zu erreichen, waren nun bis zu 26 Sekunden lange Plasmen möglich. Dabei konnten bis zu 75 Megajoule Heizenergie in das Plasma eingespeist werden – 18 Mal mehr als in der ersten Betriebsrunde ohne Divertor. Auch die Heizleistung konnte erhöht werden – eine Voraussetzung für hohe Plasmadichte.

Auf diese Weise wurde ein Rekordwert für das „Fusionsprodukt“ erreicht. Dieses Produkt aus Ionentemperatur, Plasmadichte und Energieeinschlusszeit gibt an, wie nahe man den Reaktorwerten für ein brennendes Plasma kommt. Bei rund 40 Millionen Grad Ionentemperatur und einer Dichte von 0,8 x 1020 Teilchen pro Kubikmeter hat Wendelstein 7-X ein Fusionsprodukt von gut 6 x 1026 Grad mal Sekunde pro Kubikmeter erreicht – weltweiter Stellarator-Rekord. „Dies ist ein für die Größe der Maschine ausgezeichneter Wert, der zudem unter realistischen Bedingungen, d.h. bei hoher Temperatur der Plasma-Ionen erreicht wurde“, so Professor Sunn Pedersen. Die erzielte Energieeinschlusszeit – ein Maß für die Güte der Wärmeisolation des magnetisch eingeschlossenen Plasmas – deutet mit beachtlichen 200 Millisekunden darauf hin, dass die Wendelstein 7-X zugrundeliegende rechnerische Optimierung greift.

Dass die Optimierung nicht nur bezüglich der Wärmeisolation Wirkung zeigt, erwies die Auswertung von Messdaten aus der ersten Experimentierkampagne von Dezember 2015 bis März 2016 (siehe: Nature Physics, https://doi.org/10.1038/s41567-018-0141-9). Sie zeigt, dass sich auch der sogenannte Bootstrap-Strom wie gewünscht verhält. Dieser elektrische Strom wird von Druckunterschieden im Plasma hervorgerufen und könnte das maßgeschneiderte Magnetfeld verformen. Teilchen aus dem Plasmarand träfen dann nicht mehr an den richtigen Stellen auf den Divertor auf. Der Bootstrap-Strom sollte in Stellaratoren daher so klein wie möglich sein. Dass dies in der optimierten Feldgeometrie tatsächlich gelungen ist, hat die Analyse nun bestätigt. „Damit konnte bereits die erste Experimentkampagne wichtige Aspekte der Optimierung verifizieren“, sagt Erstautor Dr. Andreas Dinklage: „Eine genauere und systematische Evaluierung wird in künftigen Experimenten bei deutlich höherer Heizleistung und höherem Plasmadruck folgen“.

Das Rekordplasma mit einem Energieinhalt von über einem Megajoule

Nach drei Monaten des Experimentierens mit der neuen Ausrüstung begann Ende 2017 die nächste Ausbau-Runde; unter anderem wurden neue Messgeräte und Heizsysteme installiert. Ab Juli 2018 wurden die Experimente wieder aufgenommen.

Hatte der Divertor bereits zuvor seine gute Wirkung gezeigt, so konnten die Plasmawerte mit der aufgestockten Plasmaheizung und gereinigten Gefäßwänden jetzt deutlich gesteigert werden. Die neu installierte Neutralteilchen-Heizung schießt schnelle Wasserstoffatome in das Plasma hinein, die ihre Energie über Stöße an die Plasmateilchen abgeben. Das Ergebnis waren hohe Plasmadichten bis zu 2 x 1020 Teilchen pro Kubikmeter – Werte, wie sie für ein künftiges Kraftwerk ausreichen. Zugleich erreichten die Ionen und Elektronen des Wasserstoff-Plasmas die beachtliche Temperatur von 20 Millionen Grad Celsius.

Stellarator-Rekordwerte konnte Wendelstein 7-X für die im Plasma gespeicherte Energie erzielen: Mit starker Mikrowellen-Heizung überstieg der Energieinhalt des Plasmas erstmalig ein Megajoule, ohne dass die Gefäßwand zu heiß wurde. Bei guten Plasmakenngrößen gelangen zudem langlebige Plasmen von 100 Sekunden Dauer – ebenfalls einer der bislang besten Stellarator-Werte.

Mitte Oktober 2018 liefen die letzten Experimente; inzwischen hat die nächste Ausbaurunde an Wendelstein 7-X begonnen. Um die Heizenergie weiter steigern zu können, ohne die Gefäßwand zu überlasten, werden in den kommenden zwei Jahren die jetzigen Graphitplatten des Divertors durch wassergekühlte Elemente aus kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff ersetzt. So ausgerüstet, wird man sich schrittweise an 30 Minuten andauernde Plasmen heranarbeiten. Dann lässt sich überprüfen, ob Wendelstein 7-X seine Optimierungsziele auch im Dauerbetrieb – dem wesentlichen Plus der Stellaratoren – erfüllen kann.

Zur Redakteursansicht