Heiße Sache

Der inter­nationale Testreaktor ITER (lat.: der Weg), der zurzeit in weltweiter Zusam­men­arbeit in Frankreich aufgebaut wird, soll zeigen, dass ein Energie lieferndes Fusions­feuer möglich ist. Ähnlich wie die Sonne soll ein künftiges Fusions­kraftwerk 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. 500 Mega­watt Fusions­leistung soll ITER erzeugen – zehnmal mehr, als zuvor zur Heizung des Plasmas aufge­wendet wurde.

Diese Plasma­heizung wird etwa zur Hälfte die „Neutral­teil­chen-Heizung“ übernehmen: Schnelle Wasser­stoffatome, die durch den Magnet­feld­käfig hindurch in das Plasma hinein­geschossen werden, geben über Stöße ihre Energie an die Plasma­teilchen ab. Dazu erzeugt eine Ionen­quelle aus Wasser­stoff-Gas geladene Wasser­stoff-Ionen, die durch hohe Spannung beschleunigt und anschlie­ßend wieder neutralisiert werden, um – als schnelle Wasser­stoff-Atome – unge­hindert durch den Magnet­feldkäfig in das Plasma eindringen zu können.

Auf diese Weise bringen heutige Heizungen, zum Beispiel an der IPP-Fusions­anlage ASDEX Upgrade in Garching, das Plasma per Knopf­druck auf ein Mehr­faches der Sonnen­temperatur. Die Großanlage ITER stellt jedoch erhöhte Anfor­derungen: So müssen die Teilchen­strahlen viel dicker und die einzelnen Teilchen viel schneller sein als bisher, damit sie tief genug in das volu­minöse ITER-Plasma ein­dringen können: Zwei Teilchen­strahlen mit etwa tür­großem Quer­schnitt sollen 16,5 Megawatt Heiz­leistung in das ITER-Plasma einspeisen. Die in heutigen Fusions­anlagen genutzten Teilchen­strahlen, die mit etwa teller­großem Quer­schnitt und wesent­lich kleinerer Geschwin­digkeit auskommen, wird ITER damit weit hinter sich lassen.

Anstelle der bisher zur Beschleu­nigung genutzten elektrisch positiv geladenen Ionen – die sich bei hohen Energien nicht mehr effektiv neutra­lisieren lassen – müssen für ITER daher negativ geladene Ionen verwendet werden, die extrem fragil sind. Eine dazu im IPP entwickelte Hoch­frequenz-Ionen­quelle wurde als Prototyp in den ITER-Entwurf auf­genom­men. Auch der Auftrag zur Weiter­ent­wicklung und An­pas­sung an die ITER-Anfor­de­run­gen ging Ende 2012 an das IPP.

An dem Teststand ELISE (Extraction from a Large Ion Source Experiment) wird eine Quelle untersucht, die halb so groß ist wie eine spätere ITER-Quelle. Sie erzeugt einen Ionen­strahl von rund einem Quadrat­meter Querschnitts­fläche. Mit dem gewachsenen Format mussten die bisherigen technischen Lösungen für das Heiz­verfahren überarbeitet werden. Schritt für Schritt ist ELISE in neue Größen­ordnungen vorgedrungen. „Den von ITER gewünschten, rund 23 Ampere starken Teilchen­strahl aus negativ geladenen Wasser­stoff-Ionen konnten wir nun erzeugen, stabil, homogen und 1000 Sekunden andauernd“, sagt Professor Dr. Ursel Fantz, Leiterin des Bereichs ITER-Technologie und -Diagnostik im IPP: „Auch der Gas­druck in der Quelle und die Menge der zurück­gehaltenen Elektronen entsprachen den ITER-Vorgaben“. Nur die von ITER verlangte Stromdichte des Ionen­strahls wurde nicht ganz erreicht, was an der begrenzten Leistungs­fähigkeit der zur Verfügung stehenden Hochspannungs­versorgung liegt.

Nachdem ELISE die von ITER geforderte Strom­stärke mit normalem Wasser­stoff jetzt erreicht hat, will man nun Teil zwei der Aufgabe in Angriff nehmen und Ionen-Strahlen aus der schweren Wasser­stoff-Variante Deuterium erzeugen – dies allerdings nicht für 1000 Sekunden, sondern für eine Stunde. Das System in Original­größe wird das italienische Fusions­institut der ENEA in Padua unter­suchen und dabei mit dem IPP zusammen­arbeiten. Die Testanlage SPIDER (Source for Production of Ion of Deuterium Extracted from Radio Frequency Plasma) ging Anfang Juni in Padua in Betrieb. Ihre Ziel­daten: einstündige Pulse mit vollem ITER-Strahlquerschnitt und sechs Megawatt Leistung in Wasser­stoff und Deuterium.

IPP / LK