Wirbelsturm am Plasmarand

Umgebautes Kernfusionsexperiment TEXTOR wieder in Betrieb

Energie nach dem Vorbild der Sonne zu erzeugen, ist das Ziel der Kernfusionsforschung. Bei der Fusion verschmelzen schwere Wasserstoffkerne unter Freisetzung von sehr großen Energiemengen. Auf der Erde sind dafür Temperaturen von etwa 100 Millionen Grad nötig. Mit der Einweihung des Dynamischen Ergodischen Divertors (DED) steht den Fusionsforschern am Forschungszentrum Jülich ab 6. Dezember ein weltweit einzigartiges Experiment zur Verfügung, um den Kernfusionsprozess zu steuern. Eingebaut in TEXTOR, soll es grundlegende Fragen der Wechselwirkung vieler Millionen Grad heißer Fusionsplasmen mit den umgebenden Wänden beantworten. Eingebunden ist das DED-Experiment in die weltweiten Aktivitäten zum Bau des nächsten großen Fusionsreaktors ITER.

Das Treibhausgas Kohlendioxid zu reduzieren, ist zentrales Thema dieses Jahrhunderts. Wohlstand und Bevölkerung nehmen weltweit zu. Der Energiebedarf steigt. Um langfristig die Energieversorgung zu sichern, müssen zusätzliche Energieformen erschlossen werden. Eine solche Energiequelle zur nachhaltigen und Kohlendioxid freien Stromversorgung stellt die kontrollierte Kernfusion dar: Ähnlich wie in der Sonne wird bei Temperaturen von etwa 100 Millionen Grad Energie aus der Verschmelzung von schwerem Wasserstoff gewonnen. Die Brennstoffe der Kernfusion stehen praktisch unbegrenzt zur Verfügung.

Die Fusionsforschung befindet sich derzeit auf dem Weg in eine neue Ära. Zum ersten Mal soll ein „brennendes“ Plasma erzeugt werden, aus dem Energie mehr gewonnen wird, als zum Heizen nötig ist. Die Herausforderung besteht darin, den Wirkungsgrad zu steigern und den Vorgang dauerhaft zu beherrschen. Das von Europa, Japan und Russland gemeinsam vorbereitete Experiment ITER soll dabei der letzte Schritt vor dem Bau des ersten, kontinuierlich arbeitenden Fusionskraftwerks namens DEMO sein. DEMO wird etwa ein Gigawatt elektrische Leistung ins Netz speisen. Dies entspricht der Leistung eines heutigen Großkraftwerks. „Bereits in 20 Jahren könnte mit dem Bau eines ersten Strom liefernden Kraftwerks begonnen werden“, schätzen Prof. Ulrich Samm und Dr. Robert Wolf, die beiden Leiter des Instituts für Plasmaphysik in Jülich.

Mit dem Dynamischen Ergodischen Divertor wird am Forschungszentrum Jülich ein wichtiger Schritt in diese Richtung getan: Erfolgreich erprobt wurde der Ergodische Divertor in Frankreich. Durch die Einführung einer „dynamischen“ Komponente haben die Jülicher Forscher die Idee entscheidend verbessert und erstmals experimentell realisiert. Im Detail sieht dies wie folgt aus: Die Verschmelzung von schwerem Wasserstoff findet in einem viele Millionen Grad heißen Plasma statt. In diesem Plasma gibt es keine vollständigen Atome mehr, Atomkerne und Elektronen bewegen sich statt dessen getrennt voneinander. Prallen Kerne aufeinander, verschmelzen sie unter bestimmten Bedingungen zu Heliumkernen und es wird mehr Energie gewonnen, als zum Heizen benötigt wird. Dazu muss das Plasma so gut wie möglich in einen ringförmigen Magnetkäfig eingeschlossen werden. Die Magnetfeldlinien werden hierzu wie ein Mantel um das Ringplasma gewickelt.

Am Plasmarand hat der gute magnetische Einschluss jedoch Nachteile. Dort, wo die Magnetfeldlinien auf die Reaktorwand treffen, kommt es lokal zu einer viel zu hohen Aufheizung und im schlimmsten Fall zur Schädigung des Wandmaterials. Genau an dieser Stelle setzt der DED an: Er besteht aus 18 einzelnen Spulen, die auf der Innenseite des Reaktors angebracht sind. Fließt durch die Spulen Wechselstrom, baut sich ein rotierendes (dynamisches) magnetisches Störfeld auf. Zusätzlich werden die geschlossenen magnetischen Feldlinien durch Verwirbelung am Plasmarand aufgebrochen (Ergodisierung). Diese Veränderung des Magnetfelds führt dazu, dass der Wärmefluss aus dem heißen Kernplasma auf große Wandbereiche verteilt wird. Lokale Überhitzungen werden vermieden. Ein zusätzlicher Effekt der Magnetfeldverwirbelung: Verunreinigungen gelangen nicht ins Innere der heißen Zone, wodurch sich die Qualität und Lebensdauer des Plasmas erhöhen.

Das Institut für Plasmaphysik (IPP) am Forschungszentrum Jülich koordiniert europaweit die Aktivitäten zum Studium der Wechselwirkung von heißen Wasserstoffplasmen mit der Reaktorwand. Im Rahmen eines EURATOM-Assoziationsvertrags führt das Institut ein Forschungs- und Entwicklungsprogramm zu ausgewählten Problemen der Hochtemperatur-Plasmaphysik und der Kernfusion durch. Hierzu betreibt das IPP gemeinsam mit seinen belgischen und niederländischen Partnern im „Trilateralen Euregio Cluster“ (TEC) das Fusionsexperiment TEXTOR als zentrales Großforschungsgerät.