Die stärkste Mikrowelle der Welt

Im Mikrowellen-Teststand wurde die Leistungsfähigkeit der Gyrotron-Röhre getestet. Mit Hilfe der Mikrowellenheizung soll das Plasma eines künftigen Fusionskraftwerkes auf 100 Mio. Grad Celsius erhitzt werden, um Wasserstoff zu Helium zu verschmelzen.

Forschungszentrum Karlsruhe entwickelt Mikrowellenheizung für die Kernfusion

Mit dem Mikrowellenherd in der Küche verbindet diesen Mikrowellengenerator nur noch das ähnliche Funktionsprinzip. Auch wärmt er keine Tiefkühlgerichte auf. Stattdessen soll der am Forschungszentrum Karlsruhe entwickelte Generator, ein so genanntes Gyrotron, das Plasma eines künftigen Fusionskraftwerks auf 100 Millionen Grad Celsius erhitzen. Diese Temperatur muss man erreichen, um Wasserstoffisotope zu Helium zu verschmelzen und so die Energiequelle der Sonne technisch nutzbar zu machen. Im Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik des Forschungszentrums ist nun ein solcher Mikrowellengenerator entwickelt worden. Mit einer Ausgangsleistung von 1 Megawatt (1 Million Watt) – etwa das Tausendfache eines Mikrowellenherdes – ist er die stärkste Mikrowellenheizung der Welt.

Mit einer Ausgangsleistung von 1 Megawatt und Pulslängen bis zu 3 Minuten ist das am Forschungszentrum Karlsruhe für die Energiegewinnung durch Kernfusion entwickelte 140 GHz-Gyrotron die stärkste Röhre der Welt zur Mikrowellenheizung.
Kernfusion – Energieerzeugung wie in der Sonne – ist eine Zukunftsoption: Ein funktionsfähiges Kraftwerk wird wohl erst in 50 Jahren Realität werden. Weltweit werden zwei Konzepte verfolgt: Auf dem so genannten Tokamak-Prinzip beruhen das europäische Fusionsexperiment JET und die Pläne für das internationale Projekt ITER. Auf dem Stellarator-Prinzip, das auf europäischer Ebene vor allem vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching vorangetrieben wird, beruht das gerade in Greifswald im Bau befindliche Fusionsexperiment WENDELSTEIN 7-X. Der wesentliche Vorteil des Stellarators besteht darin, dass die Energieerzeugung kontinuierlich erfolgen kann, während beim Tokamak regelmäßig kurze Betriebsunterbrechungen erforderlich sind. Diesen Vorteil erkauft man mit einer komplizierteren Geometrie des einschließenden Magnetfelds.

In beiden Konzepten benötigt man eine aufwendige Heizungsanlage, um die im Reaktionsmedium – dem Plasma – notwendigen Temperaturen von 100 Millionen Grad Celsius zu erzeugen. Erst bei diesen Temperaturen kann das Plasma „zünden“: Die Verschmelzung von Wasserstoffisotopen zu Helium beginnt und erhält – durch die dabei freiwerdende Energie – auch die hohen Temperaturen aufrecht. Die Anheizphase wird voraussichtlich 50 bis 100 Sekunden betragen.

„Ein Beitrag des Forschungszentrums zum WENDELSTEIN 7-X ist der Aufbau des Hochleistungs-Mikrowellen-Heizsystems mit einer Gesamtleistung von 10 Megawatt“, erläutert Professor Dr. Manfred Thumm, Leiter des Instituts für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik im Forschungszentrum Karlsruhe. „Es wird aus zehn so genannten Gyrotrons, das sind die Erzeuger der Mikrowellen, mit einer Heizleistung von jeweils 1 Megawatt bestehen. Darüber hinaus sind wir auch für die Übertragung der Mikrowellen in das Fusionsplasma verantwortlich.“

Das nun im Forschungszentrum entwickelte und getestete Gyrotron konnte seine Leistungsfähigkeit eindrucksvoll unter Beweis stellen: Mit einer Ausgangsleistung von 1 Megawatt und Heizdauern bis zu drei Minuten, in denen bei einer Frequenz von 140 Gigahertz (140 Milliarden Schwingungen pro Sekunde) bis zu 90 Megajoule Energie abgegeben wurden, ist es bisherigen Entwicklungen in Europa, Japan, Russland und den USA weit überlegen. Die mit diesem Gerät gewonnenen Erkenntnisse sollen jetzt in eine Kleinserie von Gyrotrons für den WENDELSTEIN 7-X einfließen, die vom Industriepartner des Forschungszentrums, der Mikrowellenröhrenfirma Thales Electron Devices, Frankreich, gefertigt werden soll.

Die Gyrotron-Entwicklung am Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik erfolgt im Rahmen des Projektes „Mikrowellenheizung für WENDELSTEIN 7-X“ in Zusammenarbeit mit der Ecole Polytechnique Federale Lausanne, Schweiz. Außerdem steuert das Institut für Plasmaforschung der Universität Stuttgart sein Know-how durch den Bau der Übertragungsleitungen vom Gyrotron zum Plasma und durch die Auslegung der Hochspannungsversorgung für die Gyrotrons bei.

Wissenschaftlicher Hintergrund – Mikrowellenheizung

Die Aufheizung durch Mikrowellen erfolgt dadurch, dass elektrisch geladene Teilchen im elektromagnetischen Wechselfeld der Welle zu Schwingungen angeregt werden. Die Energie dieser Schwingung wird dann durch Stöße auch auf die umgebenden Teilchen übertragen – es entsteht Wärme. Wenn die natürliche Schwingungsfrequenz der geladenen Teilchen mit der Frequenz der Mikrowellen übereinstimmt – man spricht von Resonanz – ist die Energieübertragung am effektivsten. In der Haushaltsmikrowelle werden die Dipole der Wassermoleküle zum Schwingen angeregt.

Für die Plasmaheizung bei der Kernfusionsforschung nutzt man die Resonanz von Elektronen im einschließenden Magnetfeld aus. Die Elektronen werden zum Schwingen gebracht und übertragen dann ihre Schwingungsenergie durch Stöße an die umgebenden Elektronen und Ionen. Als günstigste Frequenz für diesen Prozess im Stellarator WENDELSTEIN 7-X hat sich 140 Gigahertz erwiesen, das entspricht einer Wellenlänge von etwa 2,1 Millimetern. Diese Mikrowellen haben im Vergleich zu den UKW-Wellen bei anderen Hochfrequenz-Plasmaheizverfahren den Vorteil, dass sie, wie Licht, leicht über Spiegel in das Plasma eingestrahlt werden können.

Das Forschungszentrum Karlsruhe ist – ebenso wie das Max-Planck-Institut für Plasma-physik – Mitglied der größten deutschen Forschungsorganisation, der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e. V.

Joachim Hoffmann 6. Oktober 2001

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