Wendelstein 7-X soll das wesentliche Plus der Stellaratoren vorführen, die Fähigkeit zum Dauerbetrieb.

Bild: IPP, Jan Michael Hosan
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40 Millionen Grad Ionentemperatur Wendelstein 7-X stellt Weltrekord auf

04.07.2018

Vor kurzem wurde eine Experimentierreihe an Wendelstein 7-X durchgeführt, dort wurden höhere Temperaturen und Dichten des Plasmas, längere Pulse und den weltweiten Stellarator-Rekord für das Fusionsprodukt erzielt.

Neben den Vorzeigewerten, wurden erste Bestätigungen für das Wendelstein 7-X zugrundeliegende Optimierungskonzept gefunden. Nun soll Wendelstein 7-X im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, die weltweit größte Fusionsanlage vom Typ Stellarator, die Kraftwerkseignung dieses Bautyps untersuchen.

Innenverkleidung ermöglicht längere Plasmaentladungen

Im Unterschied zur ersten Experimentierrunde 2015/16 ist das Plasmagefäß von Wendelstein 7-X seit September letzten Jahres mit einer Innenverkleidung ausgerüstet. Kacheln aus Grafit bedecken jetzt die Gefäßwände und machen höhere Temperaturen und längere Plasmaentladungen möglich. Mit dem sogenannten 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 Plasmaringes gezielt gelenkt werden. Zusammen mit Verunreinigungen werden die auftreffenden Teilchen hier neutralisiert und abgepumpt.

Bis zu 26 Sekunden lange Plasmen möglich

„Die ersten Erfahrungen mit den neuen Wandelementen sind ausgesprochen positiv“, sagt Professor Dr. 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 konnten bis zu 75 Megajoule Heizenergie in das Plasma eingespeist werden. Das ist 18 Mal mehr als in der ersten Betriebsrunde ohne Divertor. Auch die Heizleistung konnte erhöht werden, was die Voraussetzung für hohe Plasmadichte darstellt.

Rekordwert für Fusionsprodukt

Auf diese Weise wurde ein Rekordwert für das Fusionsprodukt erreicht. Das 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 x 10**20 Teilchen pro Kubikmeter hat Wendelstein 7-X ein Fusionsprodukt von gut 6 x 10**26 Grad mal Sekunde pro Kubikmeter erreicht. Das ist einen weltweiter Stellarator-Rekord. Die erzielte Energieeinschlusszeit, ein Maß für die Güte der Wärmeisolation des magnetisch eingeschlossenen Plasmas, deutet mit 200 Millisekunden darauf hin, dass die Wendelstein 7-X zugrundeliegende rechnerische Optimierung greift.

Bootstrap-Strom muss möglichst klein sein

Dass die Verbesserung nicht nur bezüglich der Wärmeisolation Wirkung zeigt, erweist die jetzt abgeschlossene Auswertung von Messdaten aus der ersten Experimentierkampagne von Dezember 2015 bis März 2016, welche gerade in der Fachzeitschrift Nature Physics erschienen ist. 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.

Plasmaexperimente beginnen bald

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. Dann werden die jetzigen Graphitkacheln des Divertors durch kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoff-Elemente ersetzt, die zusätzlich wassergekühlt sind. Sie sollen bis zu 30 Minuten lange Entladungen möglich machen, in denen überprüft werden kann, ob Wendelstein 7-X seine Optimierungsziele auch dauerhaft erfüllt.

Ziel der Fusionsforschung ist es, ein klima- und umweltfreundliches Kraftwerk zu entwickeln. Ähnlich wie die Sonne soll es aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnen. Weil das Fusionsfeuer erst bei Temperaturen über 100 Millionen Grad zündet, darf der Brennstoff, ein dünnes Wasserstoffplasma, nicht in Kontakt mit kalten Gefäßwänden kommen. Von Magnetfeldern gehalten, schwebt er nahezu berührungsfrei im Inneren einer Vakuumkammer.

Stellaratoren ermöglichen Dauerbetrieb

Den magnetischen Käfig von Wendelstein 7-X erzeugt ein Ring aus 50 supraleitenden, etwa 3,5 Meter hohen Magnetspulen. Für Ihre spezielle Form wurde sich im Zuge der Verbesserungs-Maßnahmen entschieden. Obwohl Wendelstein 7-X keine Energie erzeugen wird, soll die Anlage beweisen, dass Stellaratoren kraftwerkstauglich sind. Mit Wendelstein 7-X soll die Qualität des Plasmaeinschlusses in einem Stellarator erstmals das Niveau der konkurrierenden Anlagen vom Typ Tokamak erreichen. Insbesondere soll die Anlage das wesentliche Plus der Stellaratoren vorführen, die Fähigkeit zum Dauerbetrieb.

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