Am Plasmarand

Eine der aktuellen Hauptaufgaben der Fusionsforschung ist es, ein Plasma mit hohen Temperaturen und Dichten stabil in der Mitte eines Vakuumgefäßes zu halten, selbst wenn dieses das zehnfache der Kerntemperatur der Sonne erreicht. Auch wenn dies unmöglich scheint, möchte ich helfen diese Aufgabe zu lösen.

Mittels Knopfdruck kann heutzutage ein Fusionsreaktor in Sekundenbruchteilen ein Plasma problemlos auf 150 Mio. Grad Celsius heizen. Die Frage ist jedoch, wie so ein hochenergetisches Plasma effizient kontrolliert werden kann, sodass es nur im Divertor die Wände des Gefäßes berührt. Diese gezielte Plasma-Wand-Wechselwirkung trägt wesentlich dazu bei das Plasma frei von Verunreinigungen zu halten.

 

Mein Fokus liegt auf der Messung der Temperatur und Dichte schneller und turbulenter Transportprozesse. Den Zugang dazu bietet mir eine neue spektroskopische Diagnostik, die ich während meiner Doktorarbeit entwickelt habe.

Magnetischer Einschluss

Abbildung 1 zeigt den Querschnitt eines Tokamaks in welchem illustriert wird, wie das Plasma mit Hilfe eines Magnetfeldes eingeschlossen wird. Diese Magnetfeldkonfiguration ist im Wesentlichen für alle Tokamaks identisch. Die gepunkteten Linien zeigen die magnetischen Flussflächen. Obwohl nur acht Flussflächen in der Abbildung dargestellt sind, existiert eine unendliche Anzahl an Flussflächen, die wie Zwiebelschalen ineinander verschachtelt sind. Da das Plasma aus geladenen Teilchen besteht, kann es durch diese magnetischen Felder kontrolliert und eingeschlossen werden. Dies funktioniert, da sich die Teilchen zwar sehr schnell entlang der magnetischen Flussflächen, jedoch nur extrem langsam zwischen den Flächen bewegen können.

Im eingeschlossenen Bereich des Plasmas sind die magnetischen Flussflächen wie ein Donut ringförmig geschlossen. Flussflächen weiter außen sind „offen“, d.h. sie berühren den Divertor. Die Region der offenen Flussflächen wird Abschälschicht genannt und ist durch die Separatrix (lila Linie in Abbildung 1) vom eingeschlossenen Bereich abgetrennt.

Mein persönlicher Forschungsschwerpunkt liegt in der Untersuchung des Bereiches, welcher dicht an die Separatrix angrenzt und Plasmarand genannt wird (der blaue und Teile des lilanen Bereiches in Abb.1).

Die Bedeutung des Plasmarands

Verglichen mit den 2 m Plasmaquerschnitt bei ITER ist der Plasmarand nur wenige cm groß, wie die Eischale im Vergleich zum Ei. Obwohl die gewünschte Fusionsreaktion im Plasmazentrum und nicht in der Randregion stattfindet, spielt der Plasmarand trotzdem eine entscheidende Rolle zum Erreichen unseres Zieles ein Fusionskraftwerk zu bauen. Der Plasmarand beeinflusst zum einen das allgemeine Plasmaverhalten und zum anderen die Leistungs- und Teilchenabfuhr im Fusionsreaktor.

Die erste wichtige Rolle des Plasmarandes ist, eine Grenze für den heißen Plasmakern im eingeschlossenen Bereich zu bilden (gelber, orangener und roter Bereich in Abb. 1). Dabei umschließt der Rand das brennende Plasma und schirmt die Reaktorwand davor ab.

In der Plasmarand-Region sind die Gradienten (Änderung über eine bestimmte Distanz) der Temperatur und Dichte sehr steil, was bedeutet, dass sich hier beide Werte schnell über den Radius ändern. Die Kombination aus der Breite der Randschicht und der erreichten Gradienten definiert die Parameter, welche im Plasmakern erreicht werden können. Es hat sich gezeigt, dass eine höhere Temperatur an der Grenze zum Kern die Fusionsbedingungen im Kern verbessert.

Am besten versteht man den Plasmarand wie die Dämmschicht eines geheizten Hauses. Ohne Dämmung strömt die Wärme direkt nach außen und der Temperaturunterschied zwischen Innenraum und Umgebung ist gering. Die Temperatur fällt gleichmäßig in der Wand nach außen hin ab. Mit einer gut gedämmten Hauswand steigt der Temperaturunterschied zwischen Umgebung und Innen, d.h. der Gradient wird steiler. Mit gleichbleibender Heizung kann  man im Inneren höhere Temperaturen erreichen. In einem Tokamak können die isolierenden Eigenschaften des Plasmarandes durch Transportbarrieren erklärt werden. Diese entstehen kurz innerhalb der Separatrix im eingeschlossenen Bereich. Eine bessere Barriere sorgt auf der gleichen Distanz für einen höheren Temperaturunterschied, welcher eine höhere Temperatur und Dichte im Plasmakern ermöglicht. Dadurch wird dort die Fusionsreaktion effizienter.

 

Die zweite Rolle des Plasmarandes ist es, die Energie in der Abschälschicht zu verteilen und somit den Wärmefluss zum Divertor zu begrenzen. Dieses Problem ist immer noch eine Schlüsselaufgabe der Fusions- und Materialforschung, da die erreichten Leistungsflüsse enorm hoch sind.

Der stationäre Betrieb einer Fusionsmaschine ist das ultimative Ziel für ein effizientes Kraftwerk. Daraus folgt, dass Plasmaparameter wie Temperatur, Dichte und Fusionsleistung über die Zeit konstant gehalten werden müssen. Um die Fusion aufrecht zu erhalten und zu kontrollieren, ist permanentes externes Heizen notwendig.

Die vorgesehene Heizleistung für ITER ist 50 MW, äquivalent zu 500 Automotoren oder 25.000 Föhns. Mit dieser Heizleistung soll eine Fusionsleistung von 500 MW erzeugt werden, was einer Leistungsverstärkung von Q=10 entspricht.

Da die Maschine sich nicht fortlaufend aufheizen soll, muss die Gesamtleistung von 550 MW abgeführt werden. Das bedeutet, dass die injizierte plus die Fusionsleistung das Plasma auch wieder verlassen müssen. Aber wie können wir die Leistung eines Fusionsreaktors abführen?

80% der Fusionsleistung wird an die Neutronen übertragen. Da diese keine elektrische Ladung besitzen, wechselwirken sie nicht mit dem Magnetfeld und verteilen sich daher gleichmäßig über die Wand des Gefäßes. Dasselbe gilt für die erzeugten Photonen (Licht emittiert vom Plasma), welche 40 MW an Leistung zur Wand tragen. Diese beiden Teile sind unproblematisch, da in der Wand eingebaute Wärmetauscher verwendet werden, um aus der aufgenommenen Leistung elektrische Energie zu erzeugt.

Die Herausforderung ist es, die restlichen 110 Megawatt an Leistung, welche durch Teilchen vom heißen Plasmakern nach außen zur kälteren Randschicht getragen wird, handzuhaben. Dieser Transportprozess basiert hauptsächlich auf Diffusion. Nachdem die Teilchen die Separatrix überquert und die Abschälschicht erreicht haben, werden sie zum Divertor transportiert. Das Verhältnis aus dem schnellen Transport entlang der Feldlinien und dem langsameren radialen Transport nach außen bestimmt die Breite der Plasmarandschicht (blau in Abb. 1). Der Bereich, in welchem diese auf den Divertor trifft, bildet einen ca. 3cm breiten Gürtel. Würde die gesamte Leistung, welche die Abschälschicht erreicht, in dieser kleinen Region platziert, würde dies zu einer Leistungsdichte von 100 MW/m^2 führen. Diesen immensen Belastungen kann kein Material widerstehen, denn der Wärmefluss ist höher als der auf der Sonnenoberfläche.

Daraus folgt, dass wir diese Wärmeflüsse minimieren müssen. Dabei werden zwei Strategien kombiniert. Erstens werden wir den Teil der Leistung in der Abschälschicht, welche den Divertor erreicht, durch zusätzliche Strahlung minimieren (das Plasma strahlt zusätzliches Licht ab, welches gleichmäßig über die Maschine verteilt wird). Zweitens müssen wir den Bereich des Divertors, auf den die Teilchen auftreffen, vergrößern. Filamente, welche im Plasma vorkommen, können uns dabei helfen. Filamente sind Strukturen, welche sich über mehrere Meter entlang der Feldlinien erstrecken. Im Querschnitt erscheinen sie wie kleine Punkte mit einem wenige Millimeter großen Radius (Abb. 3). Wie Sonneneruptionen tragen Filamente Temperatur und Dichte radial nach außen, und beschleunigen dabei den diffusiven Transport von warmen Plasmateilchen. Im Gegensatz zur Diffusion, wo die Energie zwischen den Teilchen transportiert wird, transportieren Filamente die Energie durch die Teilchenbewegung selbst. Dieses physikalische Prinzip nennt man Konvektion. Aus dem Alltag kennen wir dieses Phänomen von Konvektionsöfen, welche die warme Luft im Zimmer verteilen.

Um diese Filamente durch die Form das Plasmas, das Nachfüllen mit neuem Brennstoff und mit der Heizung zu kontrollieren, benötigen wir einen experimentellen Zugang zur dahinterliegenden Physik. In anderen Worten heißt das, dass wir Experimente durchführen müssen, um die Filamente zu verstehen und zu lernen, wie man diese kontrollieren und beeinflussen kann.

 

Diagnostischer Zugang

Die Filamente entstehen durch Turbulenz und bewegen sich mit mehreren Kilometern pro Sekunde radial nach außen. Instrumente, welche diese Filamente anhand ihrer Temperatur und Dichte charakterisieren, müssen eine entsprechend hohe zeitliche und räumliche Auflösung haben (diese muss sehr schnell sein, und den gesamten Messbereich abdecken). Tatsächlich zeichnen solche Diagnostiken eine Million Messpunkte pro Sekunde auf, um Filamente zu erfassen. Das ist so schnell, dass die Wiedergabe eines 2s langen Plasmas mit einer Fernsehbildrate von 24 Bildern pro Sekunde 22,5 Stunden dauern würde, gleich lang wie alle Star-Wars Filme zusammen. Da es zu lange dauern würde, all diese Daten manuell auszuwerten, nutzen wir automatisierte und statistische Auswertemethoden um das Auftreten der Filamente zu charakterisieren.

Eines Tages werden uns diese leistungsstarken Diagnostiken kombiniert mit weiterentwickelten Theorien und verbesserten Materialien helfen, selbst die heißesten Plasmen zu kontrollieren und Fusionsenergie aus Maschinen wie ITER und DEMO zu erhalten.

Die Produktion elektrischer Energie aus kontrollierter Fusion wurde von Wissenschaftlern seit einer langen Zeit versprochen. Aber heute kann man sehen, wie die unterschiedlichen Puzzleteile zusammenkommen und die übrig gebliebenen Probleme erkannt und nacheinander gelöst werden. Ich finde es wertvoll und lohnend, an der Lösung eines Teils des Puzzles zu arbeiten, um damit das Versprechen der kontrollierten Kernfusion in meiner Generation zu realisieren, der ITER-Generation.