Tracer-Pellets – Fusionsforschung mit Uhrmacher­werkzeug

Experimente zum Verunreinigungstransport in Fusionsplasmen / japanisch-europäische Zusammenarbeit

3. März 2021

Mit winzigen handgefertigten Kügelchen will man in interkontinentaler Zusammenarbeit das Verhalten von Verunreinigungen in Fusionsplasmen untersuchen.

Tracer-Pellet in Submillimeter-Größe zum gezielten Einbringen geringer Mengen an Verunreinigungen – hier Gold – in das Plasma des japanischen Stellarators LHD.

Wissenschaftler der Fusionsforschungsinstitute NIFS in Japan, CIEMAT in Spanien und des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald untersuchen gemeinsam, wie sich unerwünschte Verunreinigungen im heißen Plasma ihrer Fusionsanlagen bewegen. Dazu schießen sie gezielt winzige, mit Verunreinigungen beladene Kunststoff-Kügelchen in das Plasma. So will man das Verhalten der Verunreinigungen im Plasma ergründen und herausfinden, ob sie das turbulente Plasma nach außen abtransportieren kann.

Ursprünglich wurden die „Tracer Encapsulated Solid Pellets“ (TESPEL) im NIFS für den Einsatz im japanischen Stellarator LHD in Toki hergestellt. In den vergangenen Jahren haben die NIFS-Forscher ihr Know-how an das spanische CIEMAT weitergegeben, um es auch an den europäischen Stellaratoren TJ-II in Madrid und Wendelstein 7-X in Greifswald zu nutzen. Zehn in Madrid gefertigte Pellets wurden jetzt erfolgreich im LHD getestet. Jedes der Pellets mit einem Durch­messer von 0,7 Millimeter enthielt ein Mikrogramm Verunreinigungen – zum Beispiel Titan, Eisen, Nickel, Kupfer oder Wolfram – jeweils nur wenige Prozent der gesamten Plasmamasse.

Am Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald freut sich Fusionsforscher René Bussiahn über die Pellet-Produktion am CIEMAT und den erfolgreichen Tests am NIFS. „Während der letzten Kampagne an Wendelstein 7-X haben die TESPEL-Injektionen sich als sehr zuverlässige Methode erwiesen, um Verunreinigungen genau dort zu deponieren, wo wir sie haben wollen: tief im Zentrum des Plasmas. Sie sind ein hervorragendes Werkzeug, um die Migration und Anreicherung dieser Verunreinigungen zu untersuchen.“ Zusammen mit einem Laser-Blow-Off-System, das Verunreinigungen im äußeren Rand des Wendelstein-Plasmas erzeugt, lässt sich in Zukunft der Verunreinigungstransport im gesamten Plasma beobachten.

Handgefertigte Polystyrol-Pellets, gefüllt mit Verunreinigungen. Von links nach rechts: ein 0,7-Millimeter-Pellet fertig zum Aushöhlen, ein mit Titan gefülltes Pellet und ein Pellet mit aufgesetztem Deckel.

„Die Herstellung der Pellets erfordert eine ruhige Hand“, erklärt der in Irland geborene Physiker Kieran McCarthy am CIEMAT. Zuvor hatte der NIFS-Forscher Naoki Tamura das CIEMAT kontaktierte, um einen TESPEL-Injektor am dortigen Stellarator TJ-II anzubauen. „Es wird alles von Hand unter dem Mikroskop gemacht“, sagt McCarthy, „vom Formen der Polystyrol-Kugeln in einer 0,5 Millimeter breiten Form über das Aufbohren eines inneren Hohlraums mit einem Uhrmacher­bohrer bis zum Einfüllen des Verunreinigungspulvers mit einem Zahnstocher und dem Verschließen des Kügelchens mit einem 0,3 Millimeter dicken Deckel.“

Für die Forscher von NIFS, CIEMAT und IPP ist das erfolgreiche Einschießen von CIEMAT-gefertigten Pellets in das LHD-Plasma ein wichtiger Schritt. Nun wird sich CIEMAT auf die Pellet-Produktion für Wendelstein 7-X konzentrieren, die größte Fusionsanlage ihrer Bauart. „Die Herstellung eines einzigen Pellets dauert etwa eine Stunde und erfordert einiges an handwerklichem Geschick, so dass wir mit dem neuen TESPEL-Fertigungslabor am CIEMAT die Produktion deutlich steigern können“, sagt René Bussiahn.

100 bis 200 Pellets werden für die nächste Kampagne an Wendelstein 7-X gebraucht. Künftig könnten die Tracer-Pellets – am CIEMAT oder am NIFS hergestellt – auch zu anderen Fusionsexperimenten weltweit exportiert werden.

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