Plasmablasen erliegen Mikrowellenschüssen
John Dawson Award der APS für Fusionsforscher Hartmut Zohm.
Für herausragende Errungenschaften in der Plasmaphysik wurde Prof. Dr. Hartmut Zohm vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching mit dem „John Dawson Award 2014“ der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft (APS) ausgezeichnet. Prämiert wurde die theoretische Herleitung und der anschließende experimentelle Nachweis, dass sich eine besonders unerwünschte Störung im Plasma, die „Neoklassischen Tearing-Moden“, durch Einstrahlen von Mikrowellen stabilisieren lassen.
Abb.: Die Preisträger: Chris Hegna, Olivier Sauter, Hartmut Zohm, Robert La Haye und James Callen (von links nach rechts). (Bild: APS)
Die mit 5.000 US-Dollar dotierte Auszeichnung teilt sich Hartmut Zohm mit vier weiteren Fusionsphysikern: Prof. James D. Callen und Prof. Chris Hegna von der Universität von Wisconsin, sowie Dr. Robert J. La Haye, General Atomics, USA, und Dr. Olivier Sauter von der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne in der Schweiz. Der Preis wurde den fünf Preisträgern vergangene Woche auf dem Jahrestreffen der APS-Sektion für Plasmaphysik in New Orleans überreicht.
Um ein Fusionsfeuer zu zünden, muss es gelingen, ein Wasserstoff-Plasma in Magnetfeldern stabil einzuschließen und anschließend auf Temperaturen über 100 Millionen Grad aufzuheizen. „Neoklassische Tearing-Moden“ sind blasenartige Störungen im ansonsten symmetrischen Plasmaring. Vorhergesagt wurde ihre Existenz 1990 von Preisträger James Callen, 1994 wurden sie an drei Anlagen in Deutschland und den USA experimentell nachgewiesen. Auslöser dieser magnetischen „Inseln“ ist das Ansteigen des Plasmadrucks bei hoher Plasmatemperatur. Beim Entstehen der Inseln reißen die magnetischen Feldlinien auf und verbinden sich mit den Feldlinien benachbarter magnetischer Flächen. Es kommt quasi zu einem magnetischen Kurzschluss. Da nun ein schneller Energieaustausch quer zu den Flächen möglich wird, sinken Plasmatemperatur und -druck über die Breite der Insel stark ab. Damit setzen die Tearing-Moden dem erreichbaren Plasmadruck eine Grenze: Die Energieausbeute von ITER und einem späteren Kraftwerk, so erkannte Olivier Sauter, würde sehr darunter leiden.
Abb.: Querschnitt durch das Plasmagefäß und das Magnetfeld der Fusionsanlage ASDEX Upgrade: Drei magnetische Inseln (rot) werden von Mikrowellen (blau gestrichelt) anvisiert. (Bild: IPP)
Da die Obergrenze für den Plasmadruck umso niedriger liegt, je größer die Anlagen sind, schienen in einem Kraftwerk die Tearing-Moden zunächst unvermeidlich. Umso größer war das Aufsehen, als es dem Team um Hartmut Zohm an der Garchinger Fusionsanlage ASDEX Upgrade 1999 erstmals gelang, die Bildung dieser magnetischen Inseln zu behindern. Zwei Jahre zuvor hatten Chris Hegna und Jim Callen sowie, unabhängig davon, Hartmut Zohm das Verfahren theoretisch entwickelt: Gezielt werden Mikrowellen – auf Zentimeter genau – in die Mitte einer entstehenden Insel eingestrahlt. So wird lokal ein elektrischer Strom erzeugt, der die Insel auflöst. Die Magnetfeldstörung wird unterdrückt und der Plasmadruck kann wieder ansteigen. Bald liefen ähnliche Experimente unter Leitung von Robert La Haye auch am Experiment DIII-D in den USA. Hier wurden Tearing Moden unterdrückt, die zum vollständigen Verlust der Plasmaentladung führen können.
Inzwischen kann an ASDEX Upgrade eine automatisierte Feed-Back-Steuerung die Inseln im Plasma selbständig erkennen, sie mit beweglichen Spiegeln anvisieren und den Mikrowellenstrahl auslösen. Auch in den ITER-Plänen ist für diesen Zweck bereits eine steuerbare Einkopplung für Mikrowellen vorgesehen.
IPP / LK
