Forschungsbericht 2018 - Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Teilinstitut Greifswald

Neutralteilchenheizung an Wendelstein 7-X

Autoren
Bernd Heinemann, Dirk Hartmann
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Teilinstitut Greifswald, Greifswald
Zusammenfassung
Der Aufbau der Neutralteilchenheizung für die Fusionsanlage Wendelstein 7-X wird demnächst abgeschlossen. Die neue Anlage soll ab Sommer 2018 zusätzlich zu der bestehenden Mikrowellenheizung einsatzbereit sein. Maximal sieben Megawatt kann sie zum Aufheizen in das Plasma einstrahlen.

Die Neutralteilchenheizung an der Fusionsanlage Wendelstein 7-X soll im Sommer 2018 einsatzbereit sein [1]. Bis zu vier energiereiche Wasserstoffstrahlen können dann aus vier Quellen mit einer Leistung von insgesamt sieben Megawatt in das Plasma eingeschossen werden. Diese Teilchenstrahlen übertragen ihre Energie durch Stöße auf die Ionen und Elektronen des Plasmas und können so dazu beitragen, kraftwerksrelevante Temperaturen zu erreichen..

Die Neutralteilchenheizung

Wie funktioniert die Neutralteilchenheizung? Das heiße Fusionsplasma ist in einem magnetischen Käfig eingeschlossen. Um darin eindringen zu können,  müssen die Teilchenstrahlen elektrisch neutral sein, sonst würden sie durch das starke Magnetfeld abgelenkt. Die schnellen Neutralteilchen entstehen in zwei Schritten. Zunächst wird in einer Ionenquelle ein Plasma erzeugt, aus dem die positiv geladenen Wasserstoffkerne in einem elektrischen Feld durch hintereinander liegende Gitter abgesaugt und auf Energien bis 60 Kiloelektronenvolt beschleunigt werden. Dann gelangt dieser schnelle Ionenstrahl in ein etwa zwei Meter langes Rohr, den Neutralisator, der mit Wasserstoffgas bei niedrigem Druck gefüllt ist. Beim Durchfliegen entreißen die schnellen Ionen den langsamen Gasmolekülen ihre Elektronen und fliegen als neutrale Wasserstoffatome weiter..

Abb. 1: Im Entwurf: Schnitt durch einen Injektor mit vier Quellen

Allerdings gelingt es nur etwa der Hälfte aller Ionen, sich auf Dauer ein Elektron zu fangen. Die verbleibenden Ionen werden mit Hilfe eines Ablenkmagneten aus dem Strahl herausgelenkt und auf einem wassergekühlten Target, dem Ionensumpf, entfernt.

Der energiereiche Neutralstrahl hingegen durchdringt das Magnetfeld von Wendelstein 7-X ungestört dringt in das Plasma ein. Die Masse der eingeschossenen Teilchen ist zwar klein, aber ihre Geschwindigkeit  mit etwa 3.000 Kilometer pro Sekunde sehr hoch. Ein Wasserstoffatom bräuchte mit dieser Geschwindigkeit kaum zwei Minuten, um von der Erde zum Mond zu fliegen. Im Plasma werden die Teilchen wieder ionisiert. Die entstandenen Ionen sind im Magnetfeld eingefangen und geben durch Stöße ihre Energie an das übrige Plasma ab.

Aufbau der Heizanlage

An der Garchinger Fusionsanlage ASDEX Upgrade wird ein solches System bereits seit den 1980er entwickelt und betrieben, um routinemäßig bis zu 10 Sekunden lang eine Leistung bis zu 20 Megawatt in das Plasma einzustrahlen.

Die Neutralteilchenheizung für Wendelstein 7-X ist im Wesentlichen ein Nachbau des Systems von ASDEX Upgrade. Sie besteht aus zwei Injektoren, die in der ersten Ausbaustufe mit jeweils zwei Quellen ausgerüstet sind [2, 3]. Im Detail wurden jedoch Betriebserfahrungen berücksichtigt und die Elektrotechnik, Steuerung und Datenerfassung den Anforderungen von Wendelstein 7-X angepasst. Als Ionenquellen kommen Hochfrequenzquellen zum Einsatz, die in Garching entwickelt wurden und seit 1997 an einem Injektor an ASDEX Upgrade mit großer Zuverlässigkeit, geringem Wartungsbedarf und der Möglichkeit zur schnellen Leistungsregelung in Betrieb sind.

Eine wesentliche Neuerung gegenüber dem System an ASDEX Upgrade ist die Leistungsversorgung der Ionenquellen über Hochfrequenzverstärker in Halbleitertechnologie. Sie wurden von Rundfunksendern abgeleitet und ersetzen die bisher verwendeten freischwingenden Hochfrequenzgeneratoren in Röhrentechnologie. An Testständen wurde bereits demonstriert, dass der neue Generatortyp effizienter und zuverlässiger arbeitet als sein Vorgänger.

Abb. 2: November 2014: Die 20 Tonnen schwere Neutralinjektionskammer – die erste von zwei Boxen – erreicht auf Luftkissen die Experimenthalle.

Eine kritische Komponente sind die Verbindungsstutzen. Von den beiden Neutralteilcheninjektoren führen sie durch die kälteisolierende Hülle der supraleitenden Magnetspulen von Wendelstein 7-X, dem Kryostaten, bis in das Plasmagefäß hinein. Um durch die zwei Meter langen, lokal nur 30 Zentimeter weiten Stutzen trotzdem vier Neutralteilchenstrahlen erfolgreich hindurchzuschießen, wurden mit aufwändigen Rechnungen die Geometrien von Blenden entworfen. Sie sollen den Randbereich des Strahls gerade soweit begrenzen, dass die Leistungsdichte an den Engstellen tolerabel wird, ohne jedoch zu viel Heizleistung zu verlieren. Der thermische Schutz des Stutzens wurde mit einer Kombination von Kupfer und Kohlenstoffkacheln realisiert. Die Anlage soll in späteren Ausbauphasen mit bis zu 10 Megawatt Heizleistung pro Stutzen betrieben werden.

Die Neutralinjektion für Wendelstein 7-X wurde in enger Zusammenarbeit zwischen den beiden Institutsteilen in Garching und Greifswald gebaut: Garching kümmert sich um die Gesamtplanung und die Beschaffung der Großkomponenten; Greifswald übernimmt die Klärung der Schnittstellen, die Detailplanung, die Montage und den Betrieb. Zudem stellte ein polnisches Team des National Centre for Nuclear Research in Warschau im Rahmen einer Kooperation große Komponenten bereit: den Ablenkmagneten, die Stützstrukturen, den Vakuumschieber zwischen Heiz- und Fusionsanlage sowie die Kühlanlage.

Im Herbst 2014 kamen die beiden weitgehend vormontierten Injektoren in die Experimenthalle, wo sie mit Lasern genau auf die beiden Verbindungsstutzen ausgerichtet wurden. Seither wird dort die Peripherie aufgebaut und die Versorgungsleitungen für Kühlung, Vakuum, Druckluftversorgung, Gasversorgung, Elektrik und Steuerung werden angeschlossen. Die ersten Tests dieser Hilfssysteme waren bereits erfolgreich; bis der erste Neutralteilchenstrahl in das Plasma injiziert werden kann, sind jedoch noch einige Arbeiten nötig.

Wegen der großen Leistungsdichte und Heizleistung der Neutralteilchenstrahlen werden die ersten Experimente vorsichtig mit kurzen Pulsen von 100 bis 200 Millisekunden Dauer beginnen, um Erkenntnisse zum sicheren Betrieb und zur Heizwirkung zu gewinnen. Später wird man sich auf die technisch mögliche Pulslänge von 10 Sekunden steigern. Bei erfolgreichem Betrieb ist ein weiterer Ausbau auf das Leistungsniveau von ASDEX Upgrade mit 20 Megawatt durch zwei Injektoren mit jeweils vier Quellen möglich.

Literaturhinweise

1.
McNeely, P.; Barlak, M.; Baldzuhn, J.; Bozhenkov, S.; Drevlak, M.; Gawlik, G.; Heinemann, B.; Holtum, D.; Jagielski, J.; Kairys, R.; Nocentini, R.; Riedl, R.; Rong, P.; Rust, N.; Schroeder, R.; Speth, E.; Stäbler, A.; Turos, A. und Wolf, R.
Current Status of the Neutral Beam Heating System of W7-X
Fusion Engineering and Design, 88, 1034 (2013).
DOI
2.
Streibl, B; Lang, P; Leuterer, F; Noterdaeme, J.-M.; Stäbler, A.
Machine design, fueling, and heating in ASDEX UPGRADE
Fusion Science and Technology, 44, 578 (2003).
DOI
3.
Stäbler, A; Hobirk, J; Leuterer, F; Meo, F., Noterdaeme, J.-M.
Current drive in ASDEX Upgrade
Fusion Science and Technology, 44, 730 (2003).
DOI
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