05.07.2018

Heiße Sache

IPP-Teststand ELISE erreicht erstes ITER-Ziel.

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.

Abb.: Eines der Be­schleu­nigungs­gitter, die in der Ionen­quelle ELISE die Wasser­stoff-Ionen auf Geschwin­dig­keit bringen. Durch 640 kleine Löcher in der etwa einen Quadrat­meter großen Gitter­fläche wird der Teilchen­strahl in Einzel­strahlen heraus­gezogen. (Bild: IPP)

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.

Abb.: Infrarot-Foto des Kalorimeters, das die Leistungsdichte des erzeugten Teilchenstrahls misst. Der aufprallende Strahl besitzt die von ITER verlangte Stromstärke und zeigt den gewünschten homogenen Querschnitt. Die kleinen Quadrate, aus denen sich das Bild zusammensetzt, entsprechen den einzelnen Messfeldern, aus denen das Kalorimeter aufgebaut ist. (Bild: 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

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