Weltrekord für Wendelstein 7-X

Die Fusionsanlage Wendelstein 7-X ist seit September 2017 mit einer Innenverkleidung ausgerüstet. Kacheln aus Grafit bedecken jetzt die Gefässwände und machen höhere Temperaturen und längere Plasmaentladungen möglich. Darüber hinaus kann nun die Reinheit und Dichte des Plasmas mit dem sogenannten Divertor geregelt werden. «Die ersten Erfahrungen mit den neuen Wandelementen sind ausgesprochen positiv», so Professor Dr. Thomas Sunn Pedersen. Waren am Ende der ersten Kampagne von Dezember 2015 bis März 2016 Pulsdauern von sechs Sekunden zu erreichen, sind nun bis zu 26 Sekunden lange Plasmen möglich. Dabei konnten bis zu 75 MJ Heizenergie in das Plasma eingespeist werden. Das ist 18 Mal mehr als in der ersten Betriebsrunde ohne Divertor. Auch die Heizleistung konnte erhöht werden – eine Voraussetzung für hohe Plasmadichte.

Dem brennenden Plasma etwas näher

Auf diese Weise wurde gemäss IPP ein Rekordwert für das «Fusionsprodukt» erreicht. Dieses rechnerische Produkt aus Ionentemperatur, Plasmadichte und Energieeinschlusszeit gibt an, wie nahe man den Reaktorwerten für ein brennendes Plasma kommt. Bei rund 40 Mio. Grad Ionentemperatur und einer Dichte von 0,8 x 10²⁰ Teilchen pro Kubikmeter hat Wendelstein 7-X ein Fusionsprodukt von gut 6 x 10²⁶ Grad mal Sekunde pro Kubikmeter erreicht – weltweiter Stellarator-Rekord. «Dies ist ein für die Grösse der Maschine ausgezeichneter Wert, der zudem unter realistischen Bedingungen, d.h. bei hoher Temperatur der Plasma-Ionen erreicht wurde», erklärt Sunn Pedersen. Die erzielte Energieeinschlusszeit – ein Mass für die Güte der Wärmeisolation des magnetisch eingeschlossenen Plasmas – deutet mit 200 Millisekunden darauf hin, dass die Wendelstein 7-X zugrundeliegende rechnerische Optimierung greift.

Dass die Optimierung nicht nur bezüglich der Wärmeisolation Wirkung zeigt, erweist die jetzt abgeschlossene Auswertung von Messdaten aus der ersten Experimentierkampagne 2015/16, die im Mai 2018 in der Fachzeitschrift Nature Physics erschien. Analysen zeigen, dass sich auch der sogenannte Bootstrap-Strom wie gewünscht verhält. Dieser elektrische Strom wird von Druckunterschieden im Plasma hervorgerufen und könnte das massgeschneiderte Magnetfeld verformen. Teilchen aus dem Plasmarand träfen dann nicht mehr an den richtigen Stellen auf den Divertor. Der Bootstrap-Strom sollte in Stellaratoren daher so klein wie möglich sein. Die Analyse hat nun bestätigt, dass dies in der optimierten Feldgeometrie tatsächlich gelungen ist. Erstautor Dr. Andreas Dinklage sagt: «Damit konnte bereits die erste Experimentkampagne wichtige Aspekte der Optimierung verifizieren.» In künftigen Experimenten soll eine genaue und systematische Evaluierung bei deutlich höherer Heizleistung und höherem Plamadruck folgen.

Seit Ende 2017 liefen an Wendelstein 7-X weitere Ausbauten: Unter anderem wurden neue Messgeräte und Heizsysteme installiert. Plasmaexperimente sollen diesem Sommer wieder beginnen. Ab Herbst 2018 ist dann gemäss IPP ein grösserer Ausbau geplant: Die jetzigen Graphitkacheln des Divertors werden durch kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoff-Elemente ersetzt, die zusätzlich wassergekühlt sind. Sie sollen bis zu 30 Minuten lange Entladungen möglich machen. Die Wissenschafter wollen damit überprüfen, ob Wendelstein 7-X seine Optimierungsziele auch dauerhaft erfüllt.

Ziel: Dauerbetrieb

Den magnetischen Käfig von Wendelstein 7-X erzeugt ein Ring aus 50 supraleitenden, etwa 3,5 m hohen Magnetspulen. Ihre speziellen Formen sind das Ergebnis ausgefeilter Optimierungsrechnungen. Obwohl Wendelstein 7-X keine Energie erzeugen wird, soll die Anlage beweisen, dass Stellaratoren kraftwerkstauglich sind. Mit Wendelstein 7-X soll die Qualität des Plasmaeinschlusses in einem Stellarator erstmals das Niveau der konkurrierenden Anlagen vom Typ Tokamak erreichen. Insbesondere soll die Anlage das wesentliche Plus der Stellaratoren vorführen, die Fähigkeit zum Dauerbetrieb.