12.04.2023 • PlasmaVakuumEnergie

Mit einer Prise „Dreck“ zu kompakteren Fusionskraftwerken

Kleine Plasmaverunreinigungen gestatten erheblich bessere Raumausnutzung.

Ein magnetischer Käfig hält die mehr als 100 Millionen Grad Celsius heißen Plasmen in Kern­fusions­anlagen auf Abstand zur Gefäß­wand, damit diese nicht schmilzt. Jetzt wurde am Max-Planck-Instituts für Plasma­physik (IPP) ein Ver­fahren gefunden, den Abstand deutlich zu verringern. Das könnte den Bau kleinerer und günstigerer Fusions­reaktoren zur Energie­erzeugung ermöglichen.

Abb.: Plasma­gefäß von ASDEX Up­grade. In der kreis­runden Rinne am Boden...
Abb.: Plasma­gefäß von ASDEX Up­grade. In der kreis­runden Rinne am Boden be­findet sich der Di­vertor. (Bild: IPP/Volker Rohde)

Der am weitesten fort­geschrittene Weg zur Energie­gewinnung in einem Fusions­kraftwerk führt über den inter­nationalen Experimental­reaktor ITER, der gerade in Süd­frank­reich gebaut wird. Die Anlage verfolgt das Tokamak-Prinzip – das heißt, ein mehr als 100 Millionen Grad heißes Fusions­plasma wird in ein magnetisches Feld ein­geschlossen, das die Form eines Donuts hat. Dieses Konzept verhindert, dass das heiße Plasma mit der umschließenden Wand in Kontakt kommt und diese beschädigt. Als Blau­pause für ITER und spätere Fusions­kraftwerke dient dabei das Experiment ASDEX Upgrade am IPP in Garching bei München. Hier wurden wichtige Elemente für ITER entwickelt. Und hier lassen sich bereits heute Plasma-Betriebs­zustände und Komponenten für spätere Kraft­werke erproben.

Ein zentrales Element von ASDEX Upgrade und aller modernen Magnet­fusions­anlagen ist der Divertor. Es handelt sich dabei um einen Teil der Gefäß­wand, der besonders hitze­beständig ist und der besonders aufwändig konstruiert ist. „Am Divertor führen wir Wärme aus dem Plasma. In späteren Kraft­werken soll dort auch das Fusions­produkt Helium-4 aus­geleitet werden“, erklärt Prof. Ulrich Stroth, Leiter des Bereichs Plasma­rand und Wand am IPP. „In dieser Wand­region ist die Belastung besonders hoch.“ Die Divertor-Prall­platten von ASDEX Upgrade und auch von ITER sind deshalb aus Wolfram – dem chemischen Element mit der höchsten Schmelz­temperatur überhaupt (3422 °C).

Ohne Gegen­maß­nahmen würden 20 Prozent der Fusions­leistung im Plasma auf die Divertor­oberflächen treffen – mit etwa 200 Megawatt pro Quadrat­meter wären das in etwa Bedingungen wie auf der Sonnen­oberfläche. Der Divertor in ITER und auch künftigen Fusions­kraftwerken wird aber nur maximal 10 Megawatt pro Quadrat­meter verkraften können. Deshalb werden dem Plasma geringe Mengen an Ver­un­reinigungen (häufig Stickstoff) zu­gesetzt. Diese entziehen ihm den Großteil seiner Wärme­energie, indem sie diese in ultra­violettes Licht umwandeln. Trotzdem muss der Plasma­rand (die Separatrix) auf Abstand zum Divertor gehalten werden, um diesen zu schützen. Bislang waren das in ASDEX Upgrade mindestens 25 Zenti­meter (gemessen von der unteren Plasma­spitze – dem X-Punkt – bis zu den äußeren Kanten des Divertors).

Abb. Quer­schnitt durch das Plasma­gefäß von ASDEX Upgrade mit...
Abb. Quer­schnitt durch das Plasma­gefäß von ASDEX Upgrade mit farb­kodierter Leis­tung der elektro­magne­tische Ab­strah­lung im UV-Be­reich durch den X-Punkt-Strah­ler (Di­ver­tor sche­ma­tisch un­ten). Rote Linie: Plasma­rand (Sepa­ra­trix), in die­sem Fall sehr nahe an den Di­ver­tor ge­führt. (Bild: IPP)

Jetzt ist es Forschenden am IPP gelungen, die Distanz auf unter 5 Zenti­meter zu ver­ringern, ohne die Wand zu schädigen. „Wir setzen dafür gezielt den X-Punkt-Strahler ein – ein Phänomen, das wir vor etwa einem Jahrzehnt bei Experi­menten an ASDEX Upgrade entdeckt haben“, sagt IPP-Forscher Dr. Matthias Bernert. „Der X-Punkt-Strahler tritt in dafür speziell geformten Magnet­feld­käfigen auf, wenn die Menge der Stick­stoff-Ver­un­reinigung einen bestimmten Wert über­schreitet.“ Es bildet sich dann ein kleines, dichtes, besonders stark im UV-Bereich strahlendes Volumen. „Die zugesetzte Verunreinigung bringt uns zwar etwas schlechtere Plasma­eigenschaften, aber wenn wir den X-Punkt-Strahler durch Variation des Stick­stoff­eintrags gezielt platzieren, können wir die Experi­mente bei höheren Leistungen betreiben, ohne die Anlage zu schädigen“, erklärt Bernert.

In Kamera­auf­nahmen aus dem Vakuum­gefäß ist der X-Punkt-Strahler (kurz: XPR – für X-Point Radiator) als blau leuchtender Ring im Plasma zu erkennen, weil neben der UV-Strahlung auch sicht­bares Licht emittiert wird. IPP-Forschende haben den XPR zuletzt intensiv untersucht. Dennoch spielte bei der jetzigen Ent­deckung auch der Zufall eine Rolle: „Versehentlich sind wir mit dem Plasma­rand deutlich näher an den Divertor heran­gegangen, als geplant“, erzählt IPP-Physiker Dr. Tilmann Lunt. „Wir waren sehr über­rascht, dass ASDEX Upgrade damit problemlos klar­gekommen ist.“ Weil sich der Effekt in weiteren Experimenten bestätigen ließ, wissen die Forschenden jetzt: Bei Einsatz des X-Punkt-Strahlers wird deutlich mehr Wärme­energie in UV-Strahlung umgewandelt, als bisher angenommen. Das Plasma strahlt dann bis zu 90 Prozent der Energie in alle Richtungen ab.

Abb.: Der X-Punkt-Strah­ler strahlt neben UV-Licht auch sicht­bares blaues...
Abb.: Der X-Punkt-Strah­ler strahlt neben UV-Licht auch sicht­bares blaues Licht in einem ring­för­migen Be­reich ober­halb des Diver­tors ab. Links: Kamera­auf­nahme (unten nor­ma­les rotes Leuch­ten des kal­ten Plasma­rands). Rechts: nu­me­ri­sche Si­mu­la­tion des X-Punkt-Strah­lers. (Bild: IPP, E.Huett/O. Pan)

Daraus ergeben sich Folge­rungen, die sehr günstig für den Bau künftiger Fusions­kraftwerke sein können:

  • Divertoren können kleiner und techno­logisch deutlich einfacher gebaut werden als bisher (Compact Radiative Divertor).
  • Weil das Plasma näher an den Divertor rückt, lässt sich das Vakuum­gefäß besser ausnutzen. Erste Rechnungen zeigen, dass sich bei optimaler Formung des Gefäßes fast eine Ver­dopplung des Plasma­volumens erreichen ließe – bei gleich­bleibenden Maßen. Damit würde auch die erzielbare Fusions­leistung steigen. Aber das müssen die Forschenden erst in weiteren Experimenten veri­fizieren.

Außerdem wirkt der gezielte Einsatz des X-Punkt-Strahlers auch gegen so genannte Edge Localized Modes (ELMs) – das sind heftige Energie­eruptionen am Plasmarand, die in regel­mäßigen Zeit­abständen wieder­kehren und etwa ein Zehntel der Plasma­energie Richtung Wand schleudern. ITER und künftige Fusions­reaktoren würden dabei beschädigt werden.

„Wir haben es mit einer bedeutenden Entdeckung in der Fusions­forschung zu tun“, urteilt deshalb auch IPP-Bereichsleiter Ulrich Stroth. „Der X-Punkt-Strahler eröffnet uns völlig neue Möglich­keiten bei der Entwicklung eines Kraft­werks. Wir werden ihn jetzt theoretisch aber vor allem auch in weiteren Experimenten an ASDEX Upgrade genauer unter­suchen.“ Der Garchinger Tokamak wird dafür bald bestens gerüstet sein: Bis zum Sommer 2024 wird er umgebaut und mit einem neuen oberen Divertor ausgestattet. Dessen spezielle Spulen werden es ermöglichen, das Magnetfeld nahe am Divertor beliebig zu verformen – und damit auch die Bedingungen für den X-Punkt-Strahler zu optimieren.

IPP / LK

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