Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Sauber bleiben - Hochleistungs-Plasmen für ITER

03.03.2010
Die Fusionsanlage ASDEX Upgrade im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching ist die weltweit einzige Anlage, die mit einem vollständig mit dem Metall Wolfram bedeckten Gefäß experimentieren kann.

Jetzt konnte gezeigt werden, dass die Vorteile dieser Wolfram-Wand auch in den Hochleistungsplasmen realisierbar sind, mit denen der Testreaktor ITER arbeiten soll - ein vielversprechendes Ergebnis für den ITER-Betrieb, da ASDEX Upgrade bezüglich wichtiger Vergleichsgrößen dichter als alle anderen Anlagen an ITER herankommt.

Forschungsziel des IPP ist die Entwicklung eines Kraftwerks, das - ähnlich wie die Sonne - aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnt. Die Machbarkeit soll mit 500 Megawatt Fusionsleistung der internationale Experimentalreaktor ITER (lat.: der Weg) zeigen, der zurzeit in weltweiter Zusammenarbeit in Cadarache/Südfrankreich entsteht. Hier muss es gelingen, den Brennstoff - ein dünnes ionisiertes Wasserstoffgas, ein "Plasma" - berührungsfrei in einem Magnetfeldkäfig einzuschließen und auf Zündtemperaturen über 100 Millionen Grad aufzuheizen.

Eine der großen Herausforderungen ist es, eine verträgliche Wechselwirkung zwischen dem Plasmagefäß und dem darin schwebenden heißen Plasma zu erreichen. Im IPP setzt man auf eine Gefäßwand aus Wolfram, dem Metall mit dem höchsten Schmelzpunkt (siehe IPP-Info 11/2007). Die Garchinger Fusionsanlage ASDEX Upgrade ist die einzige weltweit, die mit einem vollständig mit Wolfram bedeckten Gefäß arbeitet. Nach zweijährigem Experimentieren ist es nun gelungen, die erwarteten Vorteile der Wolfram-Wand zu bestätigen. Zugleich konnte man zeigen, dass sie mit den für ITER gewünschten günstigen Plasmazuständen - zum Beispiel mit dem im IPP entwickelten "High Confinement-Regime" - vereinbar ist.

Saubere Plasmen
Zunächst war zu zeigen, dass mit der neuen Wolfram-Wand saubere Plasmen erreichbar sind. Energiereiche Plasmateilchen können nämlich Atome aus der Wand herausschlagen, die dann in das Plasma eindringen und es verunreinigen. Anders als der leichte Wasserstoff sind die schweren Atome aus der Wand auch bei den hohen Fusionstemperaturen nicht vollständig ionisiert. Je mehr Elektronen noch an die Atomkerne gebunden sind, desto mehr Energie entziehen sie dem Plasma und strahlen sie als Ultraviolett- oder Röntgenlicht wieder ab. Auf diese Weise kühlen sie das Plasma ab, verdünnen es und verringern die Fusionsausbeute.

Die Wissenschaftler an ASDEX Upgrade konnten nun zeigen, dass bei richtig geführter Entladung kaum Wolfram-Teilchen aus der Wand in das Plasmazentrum vordringen. Im Gegenteil: Die mit der neuen Wand erzielbaren sauberen Plasmen können bei hoher Heizleistung zu einer zu starken Belastung einzelner Wandbereiche führen. Insbesondere der "Divertor" - speziell ausgerüstete Prallplatten am Boden des Gefäßes, auf welche die Plasma-Randschicht magnetisch hingelenkt wird - könnte dann beschädigt werden.

Gut isolierte, stabile Plasmen
Um dem entgegenzuwirken, nutzte man eine bekannte Technik: Damit nicht die gesamte Energie in Form von schnellen Plasmateilchen auf die Divertorplatten einschlägt, wurden in die Randschicht des Plasmas gezielt Verunreinigungen eingeblasen. Durch den Kontakt mit dem heißen Plasma werden sie zum Leuchten angeregt und schaffen so die Energie auf sanfte Weise und über die Gefäßwand verteilt als Ultraviolett- oder Röntgenlicht aus dem Plasma. Anders als im heißen Plasmazentrum, wo diese abkühlende Wirkung vermieden werden muss, ist sie am Rand des Plasmas sehr nützlich: Bevor die schnellen Plasmateilchen auf den Divertorplatten ankommen, haben sie ihre Energie bereits an die Verunreinigungsatome verloren. Entgegen früherer Erfahrungen erwies sich in Kombination mit der Wolfram-Wand insbesondere Stickstoff als taugliches Verunreinigungsmaterial.

Mit seiner Hilfe ließen sich über alle Erwartung gute Plasmazustände erreichen: Trotz sehr hoher Heizleistung von 20 Megawatt sank die Belastung der Divertorplatten dank der Stickstoff-Kühlung auf ein verträgliches Niveau. Im Zentrum wiesen die Plasmen hohe Reinheit und gute Wärmeisolation auf. Der Energieinhalt der Plasmen war einer der höchsten, der je in der Anlage erreicht wurde. Damit sind alle ITER-Anforderungen vorbildlich erfüllt. Dies ist umso erfreulicher, als ASDEX Upgrade bezüglich der hierfür wichtigsten Vergleichsgröße - die auf den Plasmaradius bezogene Heizleistung - dichter als alle anderen Anlagen weltweit an ITER herankommt.

Sogar die gefürchteten ELM-Instabilitäten verloren in den Stickstoff-gekühlten Plasmen ihren Schrecken: Diese Edge Localized Modes sind Rand-Instabilitäten des Plasmas. Sie wirken besonders belastend für den Divertor, weil sie Plasmateilchen und -energien gebündelt und schlagartig auf die Platten werfen. Für den großen ITER sind sie eine erhebliche Herausforderung. Andererseits sorgen die ELMs auch für das Ausschleudern von Verunreinigungen aus dem Plasma. Statt der üblichen starken ELM-Einschläge wünscht man sich deshalb schwächere und dafür häufigere ELMs. Genau dies ist in den Stickstoff-gekühlten Plasmen festzustellen.

Weitere Pläne
Da noch nicht gesichert ist, dass sich das Verfahren auf größere Anlagen wie ITER oder ein künftiges Fusionskraftwerk übertragen lässt, sollen an ASDEX Upgrade auch andere Methoden der ELM-Kontrolle untersucht werden: Zurzeit werden zusätzliche magnetische Kontrollspulen in das Plasmagefäß eingebaut. Ab August will man mit ihrer Hilfe die ELMs auf magnetische Weise bändigen. Bis 2012 sollen insgesamt 24 Kontrollspulen eingebaut werden - ein System, wie es ganz ähnlich auch für ITER vorgesehen ist.

Isabella Milch | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.ipp.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT
18.07.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung
17.07.2018 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vernetzte Beleuchtung: Weg mit dem blinden Fleck

18.07.2018 | Energie und Elektrotechnik

BIAS erhält Bremens größten 3D-Drucker für metallische Luffahrtkomponenten

18.07.2018 | Verfahrenstechnologie

Verminderte Hirnleistung bei schwachem Herz

18.07.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics