Der nächste Schritt für Wendelstein 7-X

Nach rund 2200 Plasma-Pulsen seit Betriebsbeginn im Dezember 2015 ging die erste Experimentier­kampagne an der Forschungs­anlage Wendelstein 7-X im Max-Planck-Institut für Plasma­physik (IPP) in Greifswald im März erfolgreich zu Ende. Zurzeit laufen Umbauten im Plasma­gefäß, um die Anlage fit für höhere Heiz­leistung und längere Pulse zu machen. Wendelstein 7-X, die weltweit größte Fusions­anlage vom Typ Stellarator, soll die Kraftwerks­eignung dieses Bautyps untersuchen.

Seit Betriebsstart im Dezember 2015 wurden in Wendelstein 7-X kontinuierlich Plasmen erzeugt – zunächst aus Heliumgas, ab Februar 2016 aus Wasserstoff. Rund 2200-mal verwandelte die Mikro­wellen­heizung eine winzige Menge Gas in ein ultra­dünnes, extrem heißes Plasma. Im magnetischen Käfig von Wendelstein 7-X eingeschlossen, schweben die geladenen Teilchen nahezu berührungsfrei vor den Wänden der Plasma­kammer.

„Mit den Ergebnissen der ersten Experimentier­kampagne sind wir mehr als zufrieden“, sagt Projekt­leiter Thomas Klinger. Lagen die erreich­baren Puls­dauern der Wasserstoff-Plasmen zu Anfang bei einer halben Sekunde, haben die Forscher am Ende Pulsdauern von sechs Sekunden erreicht. Die Plasmen mit den höchsten Temperaturen ließen sich bei vier Megawatt Mikro­wellen-Heiz­leistung für die Dauer von einer Sekunde erzielen: Bei mittleren Plasma­dichten konnten die Physiker Temperaturen von 100 Millionen Grad Celsius für die Plasma­elektronen messen sowie zehn Millionen Grad für die Ionen. „Damit wurde viel mehr erreicht, als unsere eher vorsichtigen Vorhersagen erhoffen ließen“, so Thomas Klinger.

Die Struktur und die Einschlusseigenschaften des neuartigen Magnet­feldes erwiesen sich überdies in den ersten Prüfungen so gut wie erwartet. Zu weiteren Physik­untersuchungen – zum Beispiel zur Wärme­last­verteilung an den Wand­blenden oder zum Einfluss der externen Trimm­spulen – kamen technische Entladungen zum Reinigen des Plasma­gefäßes oder zur Prüfung der Maschine­nsysteme, d.h. Magnete, Kälteanlage, Mikrowellenheizung und Maschinen­steuerung.

Am 10. März endeten plangemäß die Experimente. Inzwischen ist das Plasma­gefäß wieder geöffnet, um gut 6000 Kohlenstoff­kacheln zum Schutz der Gefäß­wände sowie den Divertor einzubauen: In zehn breiten Streifen an der Wand des Plasma­gefäßes sollen seine Kacheln der verwundenen Kontur des Plasma­randes folgen. Denn am Rand des Plasma­ringes laufen Energie und Teilchen auf begrenzte Partien der Gefäßwand. Werden diese Wand­bereiche durch spezielle Prall­platten geschützt, lassen sich die auftreffenden Teilchen zusammen mit unerwünschten Verunreinigungen neutralisieren und abpumpen. Der Divertor ist damit ein wichtiges Werkzeug, Verunreinigung und Dichte des Plasmas zu kontrollieren.

Entworfen und gefertigt wurden die Wandelemente und ihre Träger­strukturen im IPP in Garching in Kooperation mit externen Firmen. Der Einbau der 6200 unterschiedlich geformten Wandkacheln und zehn Divertor­module muss bis auf ein bis zwei Millimeter genau geschehen, was in dem asymmetrischen Plasma­gefäß recht heikel ist: „Nach genauer Vermessung der Innenwand vergleichen wir deshalb mit einem numerischen Verfahren die Wandmaße mit den Kachel­abmessungen und arbeiten, wo nötig, die Kacheln mit einer computer­gesteuerten Fräse nach“, erläutert Mathias Müller von den Technischen Diensten in Greifswald.

Bis Mitte 2017 wird die Montage dauern: Danach ist Wendelstein 7-X mit verkleideter Wand fit für Hochleistungs­plasmen mit Heiz­leistungen bis zu acht Megawatt und zehn Sekunden Dauer. Nach gründlicher Prüfung der Divertor-Funktion sollen in späteren Ausbauten die Graphit­kacheln durch kohlenstoff­faser­verstärkte Kohlenstoff-Elemente ersetzt werden, die zusätzlich wasser­gekühlt sind. Damit werden – in etwa vier Jahren – bis zu dreißig Minuten lange Entladungen möglich, in denen bei einer Heizleistung von zehn Megawatt überprüft werden kann, ob Wendelstein 7-X auch dauerhaft seine Optimierungs­ziele erfüllt.

IPP / DE