Wendelstein 7-X

Erfolg versprechendes Stellarator-Prinzip

Im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald wird mit Wendelstein 7-X der weltweit größte Stellarator betrieben. Das Stellarator-Prinzip stellt beim magnetischen Einschluss von Fusionsplasmen eine vielversprechende Alternative zum Tokamak dar, da es einen stationären Plasmabetrieb erlaubt und damit neue Möglichkeiten eröffnet, um reaktorrelevante physikalische Fragen zu studieren. Wendelstein 7-X stellt aber auch neue Herausforderungen, die einerseits mit der komplexen Geometrie und andererseits mit der erforderlichen Dauerbetriebsfähigkeit von Wandkomponenten, Plasmabeobachtungssystemen (Diagnostiken) sowie der Steuerung und Datenerfassung zusammenhängen.

Wendelstein 7-X

Forschungsziele an Wendelstein 7-X

Das Ziel des optimierten Stellarators Wendelstein 7-X ist, den guten Einschluss von Teilchen und Energie im Fusionsplasma nahezu ohne Ströme im Plasma zu demonstrieren. Ein wichtiger Baustein dazu ist die kontrollierte Auskopplung von Energie und Teilchen im Randbereich, um die Integrität der Wand und die für ausreichende Energieerzeugung erforderliche Reinheit des Plasmas zu gewährleisten. Die Untersuchung von Plasma-Wand-Wechselwirkungen ist darum ein wichtiges Element des Forschungsprogramms an Wendelstein 7-X.

Das Jülicher Programm

Jülich hat bereits mit dem supraleitenden Bussystem für die Spuleneinspeisung zum Aufbau des Greifswalder Experiments beigetragen und bringt nun durch die Entwicklung von Diagnostiken und Simulationsmethoden in Vorbereitung eines eigenen Forschungsprogramms an Wendelstein 7-X seine Kernkompetenz auf den Gebieten der Plasma-Wand-Wechselwirkungen und der Materialien ein. Gemeinsam mit belgischen Partnern wird zudem ein Hochfrequenzheizsystem für das Plasma entwickelt.

Plasma-Wand-Wechselwirkungen in der dreidimensionalen Randschicht

Sowohl Tokamak als auch Stellarator werden mit sogenannten Divertoren ausgestattet, die der Auskopplung von Plasmateilchen und einem Teil der Plasmaenergie dienen. Während ein Divertor im Tokamak rotationssymmetrisch ist, fehlt diese Symmetrie im Stellarator. Das Jülicher Programm am Wendelstein 7-X ist auf die Erforschung der Plasma-Wand-Wechselwirkungen und der Divertor-Funktionalität in der dreidimensionalen Plasma-Randschicht fokussiert.

Plasma (blau), Divertormodule (rot) und Prallplatten (grün)

Experimentiereinrichtungen und beobachtete Größen

Für eine geeignete Beobachtung der Vorgänge in der Plasmarandschicht wird in Jülich eine Reihe spezieller Diagnostiken entwickelt. Unter anderem wird über einen exakt steuerbaren Gaseinlass gezielt Helium in die Plasmarandschicht eingebracht. Aus der Beobachtung des Lichtes, das durch die Wechselwirkungen mit dem Fusionsplasma entsteht, können lokale Plasmaparameter gewonnen werden. Auf dem Ausbreitungsweg des in das Plasma eingelassenen Gases wurde zusätzlich ein schnell beweglicher Manipulator installiert, der mit geeigneten Messköpfen versehen werden kann, um kurzzeitig Dichte, Temperatur und Fluktuationen sowie die Magnetfeldstruktur direkt in der Plasmarandschicht zu messen. Der Manipulator kann ebenso dazu dienen, Materialien über längere Zeit dem Plasma auszusetzen und sie direkt im Anschluss einer Analyse zuzuführen, um Erosions- und Depositionsprozesse zu untersuchen. Mehrere spektroskopische Beobachtungssysteme sollen die Messungen von Temperatur, Dichte und Verunreinigungsgehalt des Plasmas erlauben. Mit einem speziellen Jülicher Verfahren sollen aus der Reflexion von Mikrowellen lokale Plasmastrukturen und deren Bewegung untersucht werden. Ergänzend hat Jülich bereits an TEXTOR erprobte Diagnostiken für das Plasmazentrum im Wendelstein 7-X bereitgestellt. In einer späteren Phase werden Laser-basierte Analysemethoden für die Wand zum Verständnis von Depositionsvorgängen beitragen.

Plasma-Querschnitt mit Jülicher Beobachtungssystemen

Modellrechnungen

Das Jülicher Experimentprogramm am Wendelstein 7-X wird durch Beiträge zur Theorie ergänzt. Die Entwicklung geeigneter Simulationsmodelle für die Plasmarandschicht und deren Anwendung tragen zur Interpretation der Messergebnisse und zum Gesamtverständnis der Vorgänge im Plasma bei.

Plasmaheizung

Das Plasma im Stellarator wird durch energiereiche Neutralteilchenstrahlen und elektromagnetische Wellen geheizt. Während auf die Elektronen wirkende Mikrowellen den Hauptanteil der Energie liefern, überträgt die Hochfrequenzheizung ihre Energie direkt auf die Ionen und erlaubt so unter anderem, das Verhalten der im Fusionsprozess eines Reaktors entstehenden schnellen Ionen zu simulieren. Die vom Laboratory for Plasma Physics der belgischen Royal Military Academy gemeinsam mit Jülich entwickelte Antenne ist für die Einkopplung der Wellen in das komplex geformte Plasma von Wendelstein 7-X optimiert.