Turbulenz am Plasmarand

Wie läßt sich das Plasma stabil einschließen, gleichzeitig aber an seinem Rand ein kontrollierter Abtransport der ungeheuren Wärmemengen erreichen?

Schon seit geraumer Zeit bereitet eine Frage den Fusionsforschern gehöriges Kopfzerbrechen: Wie läßt sich das Plasma stabil einschließen, gleichzeitig aber an seinem Rand ein kontrollierter Abtransport der ungeheuren Wärmemengen erreichen? Um diesem Dilemma zu begegnen, haben die Forscher um Dr. Karl Heinz Finken am Institut für Plasmaphysik eine besonders raffinierte Magnetfeldanordnung ausgeklügelt, die demnächst am Jülicher TEXTOR-94 installiert wird. Mit einer geschickten Verwirbelung des Magnetfelds am Plasmarand gelingt es den Physikern, der oben genannten Zwickmühle zu entkommen. Die Jülicher Neuentwicklung bietet darüber hinaus zahlreiche weitere Vorteile, von der sich die Fusionsforscher in aller Welt große Fortschritte erhoffen.

Zwei gegenläufige Effekte machen den Betrieb einer torusförmigen Fusionskammer zu einer kniffligen Angelegenheit. So müssen einerseits die Bestandteile des Plasmas – Elektronen und Ionen – gegen die kälteren Kammerbereiche isoliert werden, damit die erforderlichen Temperaturen von mehreren Millionen Grad im Plasmazentrum aufrechterhalten bleiben. Ganz anders sind jedoch die Anforderungen an die Randschicht des Plasmas, die nur wenige Zentimeter dick ist. Ihr kommt bei einem Fusionsplasma besondere Bedeutung zu, denn sie stellt den Kontakt zur „Außenwelt“ – der Kammerwand – her. Geschlossene Feldlinien sind hier von Nachteil. Berühren sie an irgendeiner Stelle die Wand, werden diese Punkte einer enormen Wärmeströmung ausgesetzt. Das hält auf Dauer auch das widerstandsfähigste Material nicht aus.

Computerberechnete optimale Anordnung der Spulen des DED

Aller guten Dinge sind drei

Die Lösung dieses Problems verbirgt sich hinter dem Wortungetüm Dynamischer Ergodischer Divertor – kurz DED. Er sorgt dafür, daß der Wärmestrom kontrolliert und gleichmäßig verteilt wird, daher die Bezeichnung Divertor. Dies geschieht ergodisch, das heißt durch eine Verwirbelung des ursprünglich gleichmäßigen Magnetfelds in seinem Randbereich. Und am besten verteilt sich die Energie, wenn sich dieser „magnetische Wirbelwind“ im Kreis bewegt – dynamisch also. „Das mag ein wenig chaotisch klingen“, gibt Dr. Finken zu und hat dabei noch etwas anderes im Sinn. Der Plasmarand zeigt nämlich ein chaotisches Verhalten. „Dies macht den DED“, so Dr. Finken, „über seine unmittelbare Anwendung hinaus zu einem wichtigen Instrument für die Chaosforschung“.

Aus der Bahn geworfen

Verwirbelte Magnetfeldlinien im Poincaré-Schnitt

Das Herzstück des DED bilden insgesamt 16 Spulen (Bild 1). Sie winden sich spiralförmig um die Innenseite des Torus – ein Anblick, der an das Innengewinde einer Schraubenmutter erinnert. Werden sie von einem Strom durchflossen, erzeugen sie ein zusätzliches Magnetfeld. Die bereits vorhandenen geschlossenen Feldlinien werden dadurch nur leicht „angetippt“. Dies geschieht aber immer zum richtigen Zeitpunkt an der richtigen Stelle – genau, wie man der Schaukel am besten Schwung gibt, wenn sie gerade ihren tiefsten Punkt passiert. Der „DED-Kick“ reicht deshalb aus, die Feldlinien so zu verwirbeln, daß sie nach einem Umlauf nicht mehr an dem Punkt ankommen, von dem sie gestartet sind. Dies läßt sich mit Hilfe eines sogenannten Poincaré-Schnitts sichtbar machen (Bild 2). Im Bereich der Kammerwand beschreiben die verwirbelten Magnetfeldlinien dann beispielsweise eine schraubenförmige Bahn. Anstelle einer punktförmigen Belastung wird der Wärmestrom aus geladenen Teilchen auf eine große Fläche verteilt und kann so besser nach außen abgeführt werden. Eine saubere Sache, denn ganz nebenbei kann auf diese Art auch die Asche des Fusionsfeuers entfernt werden – das bei der Verschmelzung von Deuterium und Tritium entstehende Helium. Sie muß unbedingt aus dem Plasma abtransportiert werden, damit das brennende Plasma nicht erstickt.

Der Dreh mit der Rotation

Ein weiterer Kniff des DED ist nun, daß die 16 Spulen in vier „Quartette“ aufgeteilt sind, die mit zeitversetzten Wechselströmen betrieben werden. Der Strom wird zeitlich versetzt durch die einzelnen Leiter geschickt, ähnlich wie es bei einem Drehstrommotor geschieht. Somit rotiert das gesamte DED-Magnetfeld um den Torus. Auf diese Art ergibt sich eine noch gleichmäßigere Verteilung der Energieabgabe. Selbst wenn an einer Stelle der Wand besonders viel Wärme deponiert wird, geschieht dies nur kurzfristig. Die Drehung des Magnetfelds sorgt nämlich dafür, daß dieser Punkt einfach weiterwandert.

Querschnittszeichnung von TEXTOR:

Die Spulen sind ein „Kunstwerk für sich“: Ihre Leiter bestehen aus isolierten Kupferdrähten, die von Helium umspült werden. Ein in der Mitte integriertes Wasserrohr führt die entstehende Wärme ab; Glasfaser verstärkt die Festigkeit des High-Tech-Strangs.

Auch für das Plasmainnere erweist sich das kreisende DED-Feld als vorteilhaft. Es übt nämlich ein Drehmoment auf das Plasma aus. Dadurch wird es gewissermaßen „mitgerissen“ und in Rotation versetzt. Dabei bewegen sich die Randbereiche schneller als das Plasmazentrum. Unerwünschte Schlupflöcher am Plasmarand, die zu Teilchen- und Energieverlusten führen, werden von den rotierenden Feldlinien immer wieder überrollt und abgedichtet. Das Plasma wird daher besser eingeschlossen und stabiler.

„Nicht nur hier am Forschungszentrum erwarten wir den Einbau des DED mit großer Spannung“, sagt Dr. Finken. „Die ganze internationale Fusionsforschung blickt nach Jülich und beneidet uns vielleicht sogar ein wenig.“ Derzeit werden bereits die ersten Tests an den DED-Spulen durchgeführt; im Jahr 2000 erfolgt der Einbau: Dann kann der DED dafür sorgen, das Fusionsplasma im wahrsten Sinne des Wortes noch besser in den Griff zu bekommen.