Forschungsbericht 2018 - Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Optimierte Radiowellen-Heizung für Fusionsplasmen

Autoren
Noterdaeme, Jean-Marie; Bobkov, Volodymyr
Abteilungen
Bereich Tokamak-Szenario-Entwicklung
Zusammenfassung
Eine bewährte Methode, Plasmen in Fusionsanlagen auf viele Millionen Grad aufzuheizen, ist die Einstrahlung von Radiowellen mit der Ionen-Zyklotronfrequenz. Für Plasmagefäße mit metallenen Wänden, wie sie für ein künftiges Kraftwerk vorgesehen sind, hatte diese Heizmethode jedoch bislang einige Nachteile. Jetzt ist es gelungen, die Antenne, welche die Wellen in das Plasma einstrahlt, so zu optimieren, dass die Radiowellenheizung mit metallischen Wänden verträglich wird.

Bei der Kernfusion, also dem Verschmelzen von leichten Atomkernen, müssen die Teilchen genügend kinetische Energie besitzen. Nur dann können sie die zwischen ihnen wirkende, abstoßende Coulombkraft überwinden. 

Bei den hohen kinetischen Energien der Atomkerne befindet sich die Materie im Plasmazustand: Die Atomkerne und Elektronen der Atome sind nicht mehr aneinander gebunden. Die Fusionsanlagen benutzen magnetische Felder, um diese elektrisch geladenen Ionen und Elektronen einzuschließen.

Hohe Ionenenergien lassen sich im Wesentlichen durch drei Heizmethoden erreichen. Zum einen schießt man schnelle neutrale Teilchen in das Plasma hinein, die ihre Energie durch Stöße an die Plasmateilchen abgeben. Die beiden anderen Methoden nutzen aus, dass Elektronen und Ionen sich auf spiralförmigen Bahnen um die Magnetfeldlinien bewegen. Diese Bewegungen haben eine eigene Frequenz: die Zyklotronfrequenz. Werden Wellen von außen in das Plasma eingekoppelt, können Elektronen oder Ionen deren Leistung absorbieren – und zwar an denjenigen Orten im Plasma, an denen die Wellenfrequenz mit der Zyklotronfrequenz der Teilchen übereinstimmt, also resonant ist. Nehmen die Elektronen die Leistung der Elektronen-Zyklotronheizung auf, wird deren Energie durch Stöße auf die Ionen übertragen. Die Ionen-Zyklotronheizung dagegen heizt die Ionen direkt.

Heizen mit Radiowellen

Abb. 1: Oben: Radiowellen-Antennen in der Fusionsanlage ASDEX Upgrade, links der neue Antennentyp mit drei Schleifen, rechts die alte Antenne mit zwei Schleifen.

Unten: Schematische Zeichnung der Drei-Schleifen-Antenne (gelb und lila: äußere Schleife, orange: mittlere Schleife). Teile des Faraday Schirms sind grau gezeichnet.

Im Tokamak-Experiment ASDEX Upgrade werden alle drei Heizmethoden angewandt. Hier berichten wir über die direkte Ionenheizung mit Radiowellen der Ionen-Zyklotronresonanzfrequenz. Bei den in ASDEX Upgrade verwendeten Magnetfeldern liegt die Resonanzfrequenz von Wasserstoff-Ionen im Bereich von 30 bis 60 Megahertz. Die Wellenlänge der zugehörigen Wellen im Vakuum beträgt somit zwischen 10 und 5 Meter. Generatoren, ähnlich den Senderöhren für den Rundfunk, erzeugen diese Wellen, die dann mit Koaxial-Leitungen zum Experiment gelangen. Dort werden sie über Antennen (Abbildung 1), die aus mehreren kurzgeschlossenen Stromschleifen und einem Faradayschirm bestehen, in das Plasma geleitet.

Im Plasma breiten sich verschiedene Wellentypen aus. Die Welle, deren Anregung gewünscht wird, besitzt ein elektrisches Feld senkrecht zu dem statischen magnetischen Feld, mit dem das Plasma eingeschlossen wird. Diese Wellenart wird durch die Stromschleifen der Antenne angeregt, die ebenfalls senkrecht zum statischen magnetischen Feld ausgerichtet sind. Es können aber auch unerwünschte „parasitäre“ Wellen angeregt werden, deren elektrisches Feld parallel zum magnetischen Feld liegt. In Anlagen mit metallischen Wänden wie ASDEX Upgrade oder auch einem späteren Fusionskraftwerk können sie verheerende Nebenwirkungen haben: Sie verhindern gänzlich die Nutzung der Ionen-Zyklotronheizung. Im IPP ist es uns gelungen, diese parasitäre Effekte zu minimieren und damit diese Heizmethode auch für die Zukunft nutzbar zu machen.

Der Hintergrund: Obwohl die Plasmateilchen magnetisch eingeschlossen sind, lassen sich nicht alle Wechselwirkungen zwischen Plasma und Wand verhindern. Es ist unvermeidlich, dass abgelöste Wandatome in das Plasma gelangen, was zu Energieverlusten im Plasma führt. Handelt es sich um leichte Atome mit geringer Ladungszahl wie Kohlenstoff, dann strahlen die ionisierten Atome relativ wenig Licht ab, so dass die Energieverluste durch diese Verunreinigungen verkraftbar sind. Daher waren bislang die meisten Experimentieranlagen mit Kohlenstoffwänden ausgestattet. In einem späteren Kraftwerk wären sie jedoch ungeeignet, unter anderem weil zu viel Wandmaterial abgetragen würde.

Stattdessen wird man für ein Kraftwerk metallische Wände wählen. Hier ist der Abtrag viel geringer. Wegen seiner hohen Schmelztemperatur bietet sich Wolfram an. Der Nachteil ist, dass die abgelösten, schweren Wolframatome im Plasma große Abstrahlungsverluste verursachen können. ASDEX Upgrade ist die einzige Fusionsanlage weltweit mit einer komplett mit Wolfram bedeckten Gefäßwand. Mit dieser Anlage konnten wir vorführen, wie es gelingen kann, dass nur sehr wenige Metallatome in das Plasma gelangen.

Problem Metallwand gelöst

Es bleiben aber die Probleme der beschriebenen parasitären Effekte: Die Wechselfelder der Welle bewegen im Frequenzbereich der Ionen-Zyklotronheizung die Elektronen entlang der magnetischen Feldlinien. Wenn die Feldlinien die Wände berühren, gehen die Elektronen vorerst auf die Wände verloren. Es bildet sich ein statisches elektrisches Feld vor der Wand, das weitere Elektronen von der Wand fernhält, jedoch die Ionen auf die Wand zu beschleunigt. Diese können dabei ausreichend große Geschwindigkeit erreichen, um Metallionen aus der Wand zu lösen, von denen viele als Verunreinigung in das Plasma eindringen können.

Die Ursache dieser parasitären Effekte findet man in der Umrandung der Antenne: Denn abgesehen von den Strömen, die durch die Antennenschleifen fließen, werden auch an anderen Stellen in der Antenne Ströme induziert, insbesondere im Rahmen. Es sind vor allem diese Ströme, die die unerwünschten parallelen elektrischen Felder an der Umrandung einer Antenne erzeugen.

Der Durchbruch kam mit der Erkenntnis, dass eine geeignete Wahl der Antennenschleifen und die Optimierung von Stromamplitude und -phase in den Schleifen die induzierten Ströme in den Antennenrändern weitestgehend minimieren kann. Bei einer Wahl von drei – statt bislang zwei – Schleifen induziert die zentrale Schleife Ströme im Außenbereich der Antenne. Wählt man in den zwei äußeren Schleifen die Amplitude und Phase so, dass die durch diese Schleifen induzierten Ströme den von der zentralen Schleife induzierten Strom kompensieren, kann man den insgesamt induzierten Strom minimieren.

Mit dieser neuartigen Drei-Schleifen-Antenne konnten wir experimentell bestätigen, dass eine Antenne auch in einer metallischen Umgebung ohne weiteres verwendet werden kann – ein wesentlicher Schritt, um die Ionen-Zyklotronheizmethode in künftigen Fusionskraftwerken einsetzen zu können.

Literaturhinweise

1.
Noterdaeme, J.-M., Van Oost, G.
The interaction between waves in the ion cyclotron range of frequencies and the plasma boundary
Plasma Physics and Controlled Fusion 35, 1481-1511 (1993).
2.
Bobkov, V., Aguiam, D., Bilato, R., Brezinsek, S., Colas, L., Faugel, H., Fünfgelder, H., Herrmann, A., Jacquot, J., Kallenbach, A. 1
Making ICRF power compatible with a high-Z wall in ASDEX Upgrade
Plasma Physics and Controlled Fusion 59, 014022 (2017).
3.
Fuenfgelder, H., et al.
A double success story: The international cooperation to build the new ICRF antennas on ASDEX Upgrade and the results obtained
Fusion Engineering and Design 123, 40-46 (2017).
4.
Bobkov, V., et al.
Impact of ICRF on the scrape-off layer and on plasma wall interactions: From present experiments to fusion reactor
Nuclear Materials and Energy, 18, 131-140 (2019).

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