Fusionsexperiment Wendelstein 7-A abgeschlossen

10 Jahre Wendelstein 7-A / Umbau in den fortgeschrittenen Stellarator Wendelstein 7-AS

18. November 1985

Am 15. November 1985 wurde das am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching bei München seit zehn Jahren erfolgreich betriebene Fusionsexperiment Wendelstein 7-A beendet, um mit dem Umbau in den verbesserten Nachfolger Wendelstein 7-AS beginnen zu können. Beide Experimente erforschen die Grundlagen der kontrollierten Kernverschmelzung zum Zwecke der Energiegewinnung.

Der Stellarator Wendelstein 7-A, umringt von einer Vielzahl von Meß- und Heizapparaturen.

Wendelstein 7-A bzw. sein Nachfolger Wendelstein 7-AS sind gegenwärtig die einzigen Fusionsexperimente vom Typ „Stellarator“ in Europa: In Stellaratoren wird der Fusionsbrennstoff, ein heißes Wasserstoffplasma, ausschließlich durch äußere Magnetfelder von den Wänden des Plasmagefäßes ferngehalten. In den zur Zeit hauptsächlich untersuchten Experimenten vom Typ „Tokamak“ wird dagegen auch das Magnetfeld eines im Plasma selbst fließenden elektrischen Stroms zum Einschluß des Plasmas gebraucht.

Der das Plasma fixierende Magnetfeldkäfig wurde in Wendelstein 7-A von 40 auf dem ringförmigen Plasmagefäß aufgereihten Hauptfeldspulen und mehreren Zusatzsatzspulen aufgebaut sowie – als Besonderheit des Gerätes – durch direkt auf das Plasmagefäß aufgewickelte spiralförmige Stromleiter, die dem Plasmastrom im Tokamak entsprechen.

Die Leistungsfähigkeit dieses Magnetfeldsystems zeigte sich gleich zu Betriebsbeginn 1976: Da andere Heizmethoden noch nicht zur Verfügung standen, wurde auch das Wendelstein-Plasma anfangs noch über einen im Plasma fließenden Strom aufgeheizt. Dabei konnten die in Tokamaks so gefürchteten Stromabbrüche durch die Stellaratorwicklungen vollständig unterdrückt werden.

Der Plasmastrom war jedoch immer noch Ursache anderer störender Instabilitäten, die allerdings vollständig verschwanden, als man 1980 die Stromheizung durch „Neutralteilchenheizung“ ersetzen konnte. Ein Strom wurde nun nur noch benötigt, um das Plasma aus neutralem Wasserstoffgas zu erzeugen, das anschließend durch eingeschossene schnelle Wasserstoffteilchen aufgeheizt wurde. Damit war es erstmals gelungen, das „reine“ Stellarator-Prinzip bei höherer Plasmadichte zu demonstrieren: Ein 10 Millionen Grad heißes und dichtes Plasma wurde stromfrei allein durch ein äußeres Magnetfeld eingeschlossen.

Das im Fusionsexperiment Wendelstein 7-A von Hauptfeldspulen und Stellaratorwicklungen gemeinsam aufgebaute Magnetfeld (oben) wird in dem Nachfolgeexperiment Wendelstein 7-AS von einem einzigen modularen Magnetspulensatz erzeugt (unten).

Inzwischen wurde der Heizmechanismus und der für die Wärmeisolation des Plasmas wichtige Energietransport der Wasserstoff-Ionen in Wendelstein 7-A ausgiebig untersucht: Für die über die Wärmeleitung der Plasma-Ionen nach außen verlorengehende Heizenergie hat Wendelstein 7-A das Maximum der theoretisch möglichen Isolation erreicht. Anders verhält es sich zur Zeit noch mit den Plasmaelektronen, die in den Außenbereichen des Plasmas ihre Energie schneller verlieren, als es die Theorie erwarten läßt. Mit steigender Temperatur und Dichte der Plasmen gehen diese Verluste jedoch so weit zurück, daß sie in einem Fusionsreaktor vernachlässigbar sein dürften.

Vor zwei Jahren startete ein weiteres Heizprogramm mit Hochfrequenzwellen der „Elektronen-Zyklotronfrequenz“ (28 Gigahertz), die vor allem die Plasma-Elektronen aufheizen. Damit gelang nun auch die Erzeugung des Plasmas völlig ohne Strom und seine anschließende Aufheizung auf über 25 Millionen Grad. Mit einem seit kurzem verfügbaren Sender höherer Frequenz (70 Gigahertz) konnte dann die Plasmadichte soweit angehoben werden, daß anschließend mit Neutralteilchen weitergeheizt werden konnte.

In seiner 10-jährigen Betriebszeit hat Wendelstein 7-A eine Fülle neuer Kenntnisse und ein vertieftes Verständnis des Plasmaverhaltens ermöglicht. Die jetzt entstehende Ausbaustufe Wendelstein 7-AS (AS = Advanced Stella­rator), die gegen Ende 1986 in Betrieb gehen soll, unterscheidet sich von ihrem Vorgänger vor allem durch eine neu berechnete, verbesserte Magnetfeldstruktur und einen größeren Plasmadurchmesser. Anstelle der verschiedenartigen Magnetspulen und Stellaratorwicklungen des Vorgängers erzeugt nun ein einziger, neuartiger modularer Spulensatz aus 45 kompliziert geformten Einzelspulen das gesamte Magnetfeld. Von seiner optimierten Struktur erwartet man eine höhere Dichtigkeit des Magnetfeldkäfigs und ein verbessertes Gleichgewichtsverhalten des Plasmas. Zugleich ist die modulare Spulenanordnung auch aus technischen Gründen eine unerläßliche Voraussetzung für einen späteren Stellaratorreaktor.

Isabella Milch

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