Für ELISE, äh, ITER
Weltgrößter Teststand für Ionenquellen eröffnet – IPP entwickelt Heizung für Fusionstestreaktor ITER.
Die Tests für die Heizung, die das Plasma des internationalen Fusionstestreaktors ITER auf viele Millionen Grad bringen soll, können beginnen: Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching bei München hat nach drei Jahren Bauzeit den Teststand ELISE feierlich in Betrieb genommen – die weltgrößte Anlage ihrer Art und Teil eines Vier-Millionen-Euro-Forschungsauftrags der europäischen ITER-Agentur „Fusion for Energy“. Kernstück der Anlage ist eine im IPP entwickelte neuartige Hochfrequenz-Ionenquelle. Im Teststand ELISE, dem Extraction from a Large Ion Source Experiment, wird sie nun den hohen ITER-Anforderungen angepasst.
Abb.: Die neuartige Ionenquelle des IPP (ganz rechts), eingebaut in den gerade vollendeten Teststand ELISE. Ursel Fantz vom IPP und Antonio Masiello von „Fusion for Energy“ nehmen die Anlage in Betrieb. Der hier erzeugte baumstammdicke Teilchenstrahl soll die gewaltige Leistung von 1,2 Megawatt transportieren. (Bild: IPP, R. Haas)
Etwa türgroß soll der Querschnitt der beiden Teilchenstrahlen bei ITER jeweils sein, die das 800 Kubikmeter große Plasma auf viele Millionen Grad Celsius aufheizen sollen. 16,5 Megawatt Heizleistung soll jeder Strahl in das Plasma hineinpumpen. „Ein Riesenschritt“ führt von den heute genutzten Anlagen mit etwa tellergroßen Strahlquerschnitt in diese Größenordnung, sagt Dr. Peter Franzen, der im IPP an der Entwicklung der ITER-Heizung arbeitet: Ein künftiges Fusionskraftwerk soll, ähnlich wie die Sonne, aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnen. Der Brennstoff – ein Wasserstoffplasma – muss dazu berührungsfrei in einem Magnetfeldkäfig eingeschlossen und auf Zündtemperaturen über 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Die Testanlage ITER (lat.: der Weg), die in internationaler Zusammenarbeit derzeit in Cadarache in Südfrankreich entsteht, soll zeigen, dass ein Energie lieferndes Fusionsfeuer möglich ist. 500 Megawatt Fusionsleistung soll ITER erzeugen – zehnmal mehr, als zuvor zur Plasmaheizung nötig ist.
Letztere übernimmt etwa zur Hälfte die „Neutralteilchen-Heizung“: Schnelle Wasserstoffatome, die in das Plasma hineingeschossen werden, geben über Stöße ihre Energie an die Plasmateilchen ab. Heutige Anlagen, zum Beispiel die der IPP-Fusionsanlage ASDEX Upgrade in Garching, können so das Plasma auf Knopfdruck auf ein Mehrfaches der Sonnentemperatur bringen. Die Großanlage ITER stellt jedoch neue Anforderungen an das bewährte Verfahren: Zum Beispiel müssen die Teilchen noch drei- bis viermal schneller sein als bisher, damit sie tief genug in das voluminöse Plasma eindringen können. Dafür müssen die Forscher – anstelle der bisher für die Produktion des Teilchenstrahls genutzten elektrisch positiv geladenen Ionen – extrem fragile negativ geladene Ionen verwenden. Eine dazu im IPP entwickelte neuartige Teilchenquelle wurde 2007 in den ITER-Entwurf übernommen. Nach der erfolgreichen Prototyp-Entwicklung vergab die europäische ITER-Agentur „Fusion for Energy“ auch den Auftrag zur Anpassung an die ITER-Anforderungen an das IPP.
Am dazu in den vergangenen drei Jahren in Garching aufgebauten Teststand untersuchen die Forscher nun eine Quelle, die bereits halb so groß ist wie später die von ITER. Mit dem wachsenden Format mussten auch die bisherigen technischen Lösungen für die Elemente der Ionenquelle überarbeitet werden. Der neu geformte IPP-Forschungsbereich „ITER Technologie & Diagnostik“ unter Leitung von Prof. Dr. Ursel Fantz prüft jetzt zwei Jahre lang, ob die neue Ionenquelle einen Teilchenstrahl erzeugen kann, der den ITER-Anforderungen nahekommt. Das System in Originalgröße wird anschließend das italienische Fusionsinstitut der ENEA in Padua untersuchen. ELISE und ihr italienischer Nachfolger sind fest in den ITER-Zeitplan eingebaut: Vom ersten Tag des wissenschaftlichen ITER-Betriebs an muss die Neutralteilchen-Heizung funktionieren.
IPP / OD
