Wendelstein 7-AS

Wendelstein 7-AS in Garching. Der Stellarator - rechts hinten - ist von Komponenten der Diagnostik und Heizung fast verdeckt.

Wendelstein 7-AS war eine Fusionsanlage auf der Grundlage des Stellarators. Der Stellarator arbeitet mit einem anderen Plasmaeinschluss als der Tokamak und ist grundsätzlich für den Dauerbetrieb geeignet, da er nicht nur in Intervallen verwendet werden kann.

Wendelstein 7-AS war weltweit der erste einer neuen Klasse von fortgeschrittenen Stellaratoren und wurde von 1988 bis 2002 in Garching vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik betrieben.

2002 wurden die Experimente an der Maschine beendet und der Bau des Nachfolgers Wendelstein 7-X in Greifswald begonnen, der 2014 fertiggestellt sein soll. Das Ziel ist, damit den Kernfusionsprozess stabil zu halten und ihn für die Energieerzeugung zu nutzen.

Aufbau der Versuchsanlage

Aufsicht auf das Magnetspulen-System des Wendelstein 7-AS, die Lage des Plasmas darin ist rot gezeigt. Der Querschnitt des Plasmas ändert sich entlang des Rings fünfmal, jeweils von einer aufrechtstehenden elliptischen Form (links unten) zu eher tropfenförmig (rechts unten) und zurück.

Stellaratoren erzeugen das zum Einschluß eines heißen Wasserstoffplasmas notwendige Magnetfeld ausschließlich über stromdurchflossene Spulen außerhalb des Plasmas. Da dort der Strom kontinuierlich fließen kann, sind Stellaratoren Kandidaten für einen im Dauerbetrieb arbeitenden späteren Fusionsreaktor. Beim dazu alternativen Tokamak-Konzept wird dagegen ein Teil des benötigten Magnetfeldes durch einen im Plasma selbst fließenden Strom erzeugt. Derzeit gelingt es jeweils für eine begrenzte Zeit diesen Strom aufrecht zu erhalten.

Wendelstein 7-AS war der erste Stellarator mit modularen - d.h. entlang des Plasmarings aufgestellten getrennten - Spulen, die die benötigten Magnetfelder durch ihre verwundene Formung erreichen. Die große Zahl dadurch möglich gewordener Freiheitsgrade bei der Gestaltung des Magnetfeldes wurden genutzt, um das erzeugte Magnetfeld an das theoretische Optimum anzunähern. Um möglichst schnell die grundlegende Richtigkeit des Konzepts zu testen und auch wegen der bis 1980 nur begrenzt zur Verfügung stehenden Computerkapazität wurde bei Wendelstein 7-AS zunächst nur eine Teil-Optimierung durchgeführt. Erst im nächsten Schritt, dem voll optimierten Stellarator Wendelstein 7-X, der 2014 in Greifswald in Betrieb geht, soll die Reaktortauglichkeit dieses Konzept überprüft werden.

Technische Daten

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Ergebnisse des Projekts

Die experimentellen Ergebnisse des Wendelstein 7-AS bestätigten die Vorhersagen hinsichtlich der teilweisen Optimierung und führten damit zum Bau des Wendelstein 7-X als dem nächsten Entwicklungsschritt:

• Dies galt insbesondere dafür, wie gut die heißen Plasmateilchen - Wasserstoff-Ionen und Elektronen - und ihre Wärmeenergie im Magnetfeld wie in einem Gefäß eingeschlossen bleiben. Durch diesen verbesserten Einschluß konnten im Inneren des Plasmarings für Elektronen die 8-fache Innentemperatur der Sonne erreicht werden, für die Wasserstoff-Ionen immerhin noch mehr als die Innentemperatur der Sonne.

• Weiterhin zeigte sich, daß sich der teil-optimierte Stellarator außerordentlich "gutmütig" hinsichtlich Instabilitäten des Plasmas verhält, was für den Dauerbetrieb eines späteren Reaktors von großer Bedeutung ist. Instabilitäten können z.B. zum zeitweisen Abkühlen oder zum Verlust von heißen Plasmateilchen führen und so den im Inneren des Plasmas notwendigen Plasmadruck und die benötigten Temperaturen begrenzen.

• Am Wendelstein 7-AS wurde - zum ersten Mal an einem Stellarator - ein sogenannter Divertor erfolgreich betrieben. Bei einem Divertor werden die Magnetfeldlinien am Rand des Plasmas so verformt, daß die heißen Plasmateilchen gezielt auf speziell dafür vorbereitete Prallplatten auftreffen und dabei ihre Energie möglichst günstig verteilen. Dadurch sollen lokale Überhitzungen vermieden werden aber auch die Entstehung und das Eindringen von Verunreinigungen, die das heiße Plasma im Inneren zusätzlich auskühlen würden.

• Es gelang außerdem am Wendelstein 7-AS als erstem Stellarator dynamische Verbesserungen des Einschlusses zu erzeugen, bei denen das Plasma selbst an seinem Rand eine wenige Zentimeter dicke isolierende Schicht entwickelt, was wiederum höhere Temperaturen im Inneren ermöglicht. Diese sogenannte H-mode (H für "high confinement"), die das Erreichen der Zündbedingung eines Fusionsreaktors wesentlich erleichtern würde, war bisher nur an Tokamaks gefunden worden.

Weblinks

• Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Referenzen

Einzelnachweise