Weltrekord für Wendelstein 7-X

Höhere Temperaturen und Dichten des Plasmas, längere Pulse und den welt­weiten Stellarator-Rekord für das Fusions­produkt hat Wendelstein 7-X in der zurück­liegenden Experimentier­runde erreicht. Zudem fand man erste Bestätigungen für das zugrunde­liegende Optimierungs­konzept. Die Anlage im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald, die welt­weit größte Fusions­anlage vom Typ Stellarator, soll die Kraftwerks­eignung dieses Bau­typs untersuchen.

Im Unterschied zur ersten Experimentier­runde 2015/16 ist das Plasma­gefäß von Wendelstein 7-X seit September letzten Jahres mit einer Innen­verkleidung ausgerüstet. Kacheln aus Graphit bedecken jetzt die Gefäß­wände und machen höhere Temperaturen und längere Plasma­entladungen möglich. Mit dem Divertor lässt sich darüber hinaus die Rein­heit und Dichte des Plasmas regeln: In zehn breiten Streifen an der Wand des Plasma­gefäßes folgen seine Kacheln der verwundenen Kontur des Plasma­randes. So schützen sie speziell die Wand­bereiche, auf die entweichende Teilchen aus dem Rand des Plasma­rings gezielt gelenkt werden. Zusammen mit Verunreinigungen werden die auf­treffenden Teilchen hier neutralisiert und abgepumpt.

„Die ersten Erfahrungen mit den neuen Wand­elementen sind ausgesprochen positiv“, sagt Thomas Sunn Pedersen. Waren am Ende der ersten Kampagne Puls­dauern von sechs Sekunden zu erreichen, sind nun bis zu 26 Sekunden lange Plasmen möglich. Dabei ließen sich bis zu 75 Mega­joule Heiz­energie in das Plasma einspeisen – 18 Mal mehr als in der ersten Betriebs­runde ohne Divertor. Auch die Heiz­leistung konnte erhöht werden – eine Voraus­setzung für hohe Plasma­dichte.

Auf diese Weise erreichten die Forscher einen Rekordwert für das „Fusions­produkt“. Dieses Produkt aus Ionen­temperatur, Plasma­dichte und Energie­einschluss­zeit gibt an, wie nahe man den Reaktor­werten für ein brennendes Plasma kommt. Bei rund 40 Millionen Grad Ionen­temperatur und einer Dichte von 0,8 × 10²⁰ Teilchen pro Kubik­meter hat Wendel­stein 7-X ein Fusions­produkt von gut 6 × 10²⁶ Grad mal Sekunde pro Kubik­meter erreicht – welt­weiter Stellarator-Rekord. „Dies ist ein für die Größe der Maschine ausgezeichneter Wert, der zudem unter realistischen Bedingungen, d.h. bei hoher Temperatur der Plasma-Ionen erreicht wurde“, so Sunn Pedersen. Die erzielte Energie­einschluss­zeit – ein Maß für die Güte der Wärme­isolation des magnetisch eingeschlossenen Plasmas – deutet mit beachtlichen 200 Milli­sekunden darauf hin, dass die Wendel­stein 7-X zugrunde­liegende rechnerische Optimierung greift: „Das stimmt uns für die weitere Arbeit optimistisch“.

Dass die Optimierung nicht nur bezüglich der Wärme­isolation Wirkung zeigt, erweist die jetzt abgeschlossene Auswertung von Mess­daten aus der ersten Experimentier­kampagne von Dezember 2015 bis März 2016. Sie zeigt, dass sich auch der Bootstrap-Strom wie gewünscht verhält. Dieser elektrische Strom wird von Druck­unterschieden im Plasma hervor­gerufen und könnte das maß­geschneiderte Magnet­feld verformen. Teilchen aus dem Plasma­rand träfen dann nicht mehr an den richtigen Stellen auf den Divertor auf. Der Bootstrap-Strom sollte in Stellaratoren daher so klein wie möglich sein. Dass dies in der optimierten Feld­geometrie tatsächlich gelungen ist, hat die Analyse nun bestätigt. „Damit konnte bereits die erste Experiment­kampagne wichtige Aspekte der Optimierung verifizieren“, sagt Andreas Dinklage: „Eine genauere und systematische Evaluierung wird in künftigen Experimenten bei deutlich höherer Heiz­leistung und höherem Plasma­druck folgen“.

Seit Ende 2017 liefen an Wendelstein 7-X weitere Ausbauten: Unter anderem wurden neue Mess­geräte und Heiz­systeme installiert. Im Juli sollen die Plasma­experimente wieder beginnen. Ab Herbst 2018 ist dann ein größerer Ausbau geplant: Die jetzigen Graphit­kacheln des Divertors werden durch kohlen­stoff­faser­verstärkte Kohlen­stoff-Elemente ersetzt, die zusätzlich wasser­gekühlt sind. Sie sollen bis zu dreißig Minuten lange Entladungen möglich machen, in denen sich überprüfen lässt, ob Wendelstein 7-X seine Optimierungs­ziele auch dauerhaft erfüllt.

IPP / DE