Forschungsbericht 2014 - Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Magnetische Störfelder in ASDEX Upgrade erleichtern die Leistungsabfuhr aus dem Fusionsplasma

Autoren
Suttrop, Wolfgang
Abteilungen
Plasmarand und Wand
Zusammenfassung
Mit ihrem axialsymmetrischen Magnetfeldkäfig erreichen Fusionsanlagen vom Typ Tokamak ausgezeichneten Einschluss und hohen kinetischen Druck des Plasmas. Jedoch führen die hohen Druckgradienten am Plasmarand zu Instabilitäten, die kurzzeitig heißes Plasma auf die umgebende Wand werfen. Im Tokamak ASDEX Upgrade in Garching werden diese „Edge Localised Modes”  intensiv untersucht: Ein kleines, nicht-axialsymmetrisches Störfeld kann den schnellen Energieverlust des Plasmas und die stoßweise Belastung der Wand stark verringern, ohne den günstigen Plasma-Einschluss zu beeinträchtigen.

Für den Einschluss von Wasserstoff-Plasmen in magnetischen Feldern haben sich zwei Methoden besonders bewährt: Der Stellarator – der am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik mit der neuen Anlage Wendelstein 7-X in Greifswald untersucht werden wird – erzeugt das Magnetfeld komplett mit äußeren, komplex geformten und supraleitenden Spulen. Im Tokamak dagegen wird eine Komponente des Feldes durch einen starken Strom im Plasma selbst erzeugt. Dies erlaubt eine relativ einfache, axialsymmetrische Anordnung der Magnetfeldspulen. Störungen der Symmetrie, zum Beispiel durch Toleranzen in den Abmessungen und Positionen der Magnetfeldspulen, führen normalerweise zu unangenehmen Verschlechterungen des Einschlusses oder der Stabilität des Plasmas. Das stark unsymmetrische Feld eines Stellarators muss daher numerisch aufwendig optimiert werden, bis es die gewünschten Einschlusseigenschaften besitzt. Dies ist beim Tokamak in dieser Form nicht nötig. Im Garchinger Tokamak ASDEX Upgrade zeigte sich nun aber, dass eine verhältnismäßig kleine Magnetfeldstörung, eine Verformung des Plasmas von nur wenigen Millimetern bei einem Plasmadurchmesser von rund einem Meter, auch vorteilhaft für das Verhalten eines Tokamak-Plasmas sein kann!


Randinstabilitäten – Edge Localised Modes

Die Vorteile zeigen sich vor allem in der sogenannten „High-confinement-mode” (oder kurz „H-Mode”), einem Plasmazustand mit besonders gutem Einschluss: Hier reduziert sich spontan die Wärmeleitung im Plasma senkrecht zum magnetischen Feld, wodurch sich – bei gegebener Heizleistung im Plasmainneren – die Temperatur- und Dichtegradienten am Plasmarand stark erhöhen. Geheizt wird das Plasma durch Neutralteilchen, elektromagnetische Wellen oder, in einem „brennenden” Fusionsplasma, durch die entstehenden energiereichen Heliumkerne. Die Einschlussverbesserung wird durch Erhöhung der Heizleistung über eine bestimmte Schwelle angestoßen. Dies ist bemerkenswert, da der Wärmetransport durch Konvektion in turbulenten Strömungen dominiert wird, und ausgerechnet eine Erhöhung der angebotenen freien Energie das Turbulenzniveau reduziert.

Durch den erhöhten Plasmadruckgradienten und einen dadurch entstehenden randnahen Plasmastrom, den sogenannten „Bootstrap”-Strom, wird das Plasma lokal instabil. Diese Instabilität, „Edge Localised Mode” (ELM) genannt, senkt den starken Druckgradienten und wirft heißes Plasma aus dem eingeschlossenen Volumen aus. Danach stellt sich der vorherige Zustand geringen radialen Transports wieder ein, der Druckgradient erholt sich und der Zyklus beginnt von Neuem, oft einige hundertmal pro Plasmaentladung. Die jeweils verlorene Energie findet sich als kurzer, intensiver Wärmepuls auf der das Plasma umgebenden Wand wieder, und dort vor allem im zur Leistungsabfuhr konzipierten Divertor. Für den Betrieb von ITER oder einem Demonstrationsfusionskraftwerk in der H-Mode ist das ein Problem, denn diese Plasmen werden deutlich größer sein als die bisheriger Fusionsexperimente. Während die ELM-Verluste mindestens mit dem Plasmavolumen skalieren, wächst die benetzte Fläche im Divertor nur mit der linearen Abmessung. Ein größeres Verhältnis von Volumen zu Länge führt daher zu einer größeren Leistungsdichte auf den am stärksten belasteten Flächen im Divertor.

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Original 1508157064
Abb. 1: Schematische Ansicht der neuen Störspulen in ASDEX Upgrade – drei vertikal versetzte Reihen von je acht rechteckigen Spulen – vor dem Hintergrund eines Teils des Plasmagefäßes (grau) und des Plasmas (Regenbogenfarben). Linien gleicher Farbe im Plasma entsprechen dem Verlauf des Plasma-Magnetfeldes.
Abb. 1: Schematische Ansicht der neuen Störspulen in ASDEX Upgrade – drei vertikal versetzte Reihen von je acht rechteckigen Spulen – vor dem Hintergrund eines Teils des Plasmagefäßes (grau) und des Plasmas (Regenbogenfarben). Linien gleicher Farbe im Plasma entsprechen dem Verlauf des Plasma-Magnetfeldes.

Daher will man die ELM-Instabilität aktiv beeinflussen können. Der Einfluss magnetischer Störfelder auf ELMs wurde erstmalig Mitte der 1990er Jahre in den Tokamaks JFT-2M (Japan) [1] und COMPASS-D (Großbritannien) [2] beobachtet, interessanterweise mithilfe von Magnetfeldspulen, die eigentlich für die Kompensation des intrinsischen Störfeldes bestimmt waren. Im Tokamak DIII-D (U.S.A.) [3] wurde im Jahre 2004 unter bestimmten Bedingungen sogar die vollständige Unterdrückung der ELM-Instabilität erreicht. Diese Ergebnisse motivierten zur Erweiterung von ASDEX Upgrade um einen Satz von Störspulen, die eine große Flexibilität in der Struktur des erzeugten Magnetfelds erlauben (Abb. 1). Seit 2011 sind ein oberer und ein unterer Spulenkranz mit je acht Sattelspulen in Betrieb; ein weiterer mittlerer Spulenkranz ist geplant. Es können Felder mit bis zu vier toroidalen Perioden (toroidale Modenzahl n = 4) erzeugt werden. Die Phase zwischen oberem und unterem Spulenkranz ist variabel, sodass das Störfeld passend zum helikal verlaufenden Plasma-Magnetfeld justiert werden kann (sogenanntes „resonantes” Störfeld) oder – in Gegenphase dazu – die resonante Komponente minimiert wird. Die Lage der Spulen nahe dem Plasma und innerhalb des Vakuumgefäßes stellt sicher, dass Felder mit hoher Modenzahl (d. h. hohem Multipolmoment) am Plasmarand eine ausreichende Stärke erreichen. Gleichzeitig fallen solche Felder schnell zum Plasmainnern hin ab und sollten daher kleinstmögliche Auswirkungen auf die Eigenschaften des Hauptplasmas haben.

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Original 1508157064
Abb. 2: Zeitspuren eines Experiments zur Beeinflussung von ELMs durch ein externes Störfeld. Von oben: Gespeicherte thermische Energie des Plasmas, Elektronendichte, Leistungseintrag in den inneren Divertor, Störspulenstrom. Die ELMs zeigen sich als nadelförmige Pulse in fast allen Messungen. Bei eingeschaltetem Strom in den Störspulen (unterste Zeitspur) reduziert sich die Spitzenleistung in den Divertor erheblich.
Abb. 2: Zeitspuren eines Experiments zur Beeinflussung von ELMs durch ein externes Störfeld. Von oben: Gespeicherte thermische Energie des Plasmas, Elektronendichte, Leistungseintrag in den inneren Divertor, Störspulenstrom. Die ELMs zeigen sich als nadelförmige Pulse in fast allen Messungen. Bei eingeschaltetem Strom in den Störspulen (unterste Zeitspur) reduziert sich die Spitzenleistung in den Divertor erheblich.

Die mit diesem experimentellen Aufbau erzeugten Störfelder können bei geeigneten Plasma-Bedingungen in der Tat den mit ELMs verbundenen Energieverlust erkennbar beeinflussen. Abbildung 2 zeigt Zeitspuren wichtiger Plasmaparameter: die gespeicherte thermische Energie, die Elektronendichte und der Leistungseintrag in den Divertor (hier gemessen auf der Torus-Innenseite) [4,5]. Die kurzzeitigen ELM-Verluste sind als Abfall der Energie und Dichte erkennbar sowie durch die scharfen Spitzen im Divertor-Leistungseintrag. Wenn allerdings Strom in den Störfeldspulen fließt (unterste Zeitspur), gehen die ELM-bedingten Schwankungen (bis auf wenige verbleibende ELMs in diesem Beispiel) stark zurück. Die Spitzenwerte des Leistungseintrags in den Divertor sinken von ca. 8 auf 1 Megawatt, was ungefähr dem Wert entspricht, der ansonsten zwischen ELMs beobachtet wird. Ohne die hohen Leistungsspitzen der ELMs besteht zudem die Möglichkeit eines dauerhaften und räumlich vollständigen „detachments”: Das auf den Divertor einströmende Plasma verliert Leistung und Impuls noch vor Erreichen der Wand, was die Wandbelastung weiter senkt.

Im gezeigten Beispiel besitzt das Störfeld eine deutliche resonante Komponente. In anderen Experimenten mit minimiertem resonanten Feld – d. h. umgepoltem Strom in einer der Spulenreihen – wird jedoch genau der gleiche Effekt auf ELMs beobachtet. Das ist bemerkenswert, denn dadurch scheidet ein Hauptkandidat als Ursache aus: Die Bildung magnetischer Inseln im Innern des eingeschlossenen Plasmas. Sie kann es nur geben, wenn sich auf sogenannten rationalen Flächen die magnetischen Feldlinien bereits nach wenigen Umläufen in sich selbst schließen und das Störfeld resonant ist, d. h. jede einzelne Feldlinie bei ihrem Umlauf um den Torus eine konstante Phase des Störfeldes „sieht”. Magnetische Inseln würden durch eine radiale Auslenkung der Feldlinien einen thermischen „Kurzschluss” für den magnetischen Einschluss bilden, denn der Wärmetransport entlang des Magnetfeldes ist um Größenordnungen höher als senkrecht zum Feld. Dadurch würden die radialen Dichte- und Temperaturgradienten abflachen und es wurde vermutet, dass dadurch die ELM-Instabilität unterdrückt wird. In ASDEX Upgrade wurde jedoch keine entsprechende Abflachung der Profile beobachtet. Ganz im Gegenteil zeigt sich, dass in der H-Mode das magnetische Störfeld normalerweise nicht tief in das eingeschlossene Plasma eindringen kann. Dies kann man gut sehen, wenn beim Einschalten des Störfeldes im Plasmainnern bereits helikale Magnetfeld-Störungen (interne Moden) vorliegen, die mit der Plasmaströmung toroidal rotieren. Durch den Plasmastrom j, der mit diesen Störungen verbunden ist, wird eine oszillierende jxB-Kraft und damit ein oszillierendes Drehmoment auf das Plasma ausgeübt. Dies kann man tatsächlich beobachten, aber nur, wenn zwischen dem Ort des helikalen Stroms und der Plasma-Oberfläche das Störfeld überall nicht-resonant ist oder das Plasma so langsam rotiert, dass auf resonanten Flächen keine Ströme induziert werden, die das Störfeld abschirmen. Das ist unter den Bedingungen einer normalen H-Mode meist die Ausnahme – die beschriebene Abschwächung der ELMs gelingt auch im üblichen Fall der starken Plasmarotation und damit bei guter Feldabschirmung.

ELM-Abschwächung – wichtig für große Anlagen

Eine interessante Beobachtung ist, dass ELMs bei Betrieb der Störspulen nicht völlig verschwinden. Stattdessen gehen die beschriebenen, großen „Typ-I”-ELMs abrupt in eine andere Sorte ELMs mit kleinen Verlusten über. Solche an Phasenübergänge erinnernde, unterschiedliche ELM-Regimes können auch ohne externes Störfeld erreicht werden, zum Beispiel durch gezielte axialsymmetrische Verformung des Plasmas (Typ-II-ELMs) oder durch heftige Teilchennachfüllung mittels starken Anblasens des Plasmas mit Deuterium-Gas (Typ-III-ELMs). Die mit Störfeldern erzwungenen kleinen ELMs erinnern in vielen Eigenschaften an Typ-III-ELMs und sie werden wie diese auch nur oberhalb einer Mindest-Plasmadichte erzeugt. Diese ist allerdings etwas geringer als die für Typ-III-ELMs erforderliche Dichte. Ebenso fällt die Einschlussverschlechterung weg, die häufig mit dem sehr starken Gasblasen im Regime der Typ-III-ELMs verbunden ist.

Die ungünstigen Folgen „großer” ELMs für eine Fusionsanlage lassen sich also durch verschiedene Maßnahmen deutlich verringern, ohne dass zwangsläufig ein hoher Preis – zum Beispiel ein schlechterer Einschluss – bezahlt werden muss. Für das zurzeit im südfranzösischen Cadarache entstehende Großexperiment ITER, das erstmals im 1:1-Maßstab Netto-Energierzeugung durch ein Fusionsplasma zeigen soll, ist die ELM-Abschwächung besonders wichtig. Rechnet man die ELM-Verluste vorhandener Experimente auf ITER-Größe hoch, so ist ein 20 bis 40 Mal größerer Energieverlust je ELM zu erwarten als für die Wandmaterialien verkraftbar ist. Kleine magnetische Störfelder, die in mehreren Fusionsexperimenten – darunter ASDEX Upgrade – erfolgreich sind, haben das Potenzial, die ELM-Verluste um den notwendigen Faktor zu senken. Für ITER ist daher ein Störspulensystem vorgesehen, das dem in ASDEX Upgrade eingebauten sehr ähnelt. Insbesondere wird es die gleiche Flexibität der einstellbaren Feldkonfiguration besitzen. Allerdings unterscheiden sich die experimentellen Ergebnisse in den heutigen, deutlich kleineren Anlagen hinsichtlich Phänomenologie und Betriebsgrenzen so sehr, dass eine rein empirische Extrapolation der ELM-Abschwächungsmethoden zu ITER oder einem Demonstrationskraftwerk noch unmöglich erscheint. In intensiver weltweiter Zusammenarbeit wird daher theoretisch und experimentell die ELM-Instabilität und ihre Abhängigkeit von Plasmaeigenschaften weiter untersucht, um einen besseren Einblick in die Physik der ELMs und die Wirkmechanismen der Störfelder zu erhalten und so passende Rezepte für den Betrieb der Störfeldspulen in ITER zu gewinnen.

Literaturhinweise

1.
Shoji, T.; et al.
Effects of ergodization on plasma confinement in JFT-2M
Journal Nuclear Materials 196, 296-300 (1992)
2.
Hender, T.; et. al.
Effect of resonant magnetic perturbations on COMPASS-C tokamak discharges
Nuclear Fusion 32, 2091-2117 (1992)
3.
Evans, T. E.; et al.
Suppression of large edge-localized modes in high-confinement DIII-D plasmas with a stochastic magnetic boundary
Physical Review Letters 92, 235003 (2004)
4.
Suttrop, W.; et al.
First observation of Edge Localized Modes mitigation with resonant and non-resonant magnetic perturbations in ASDEX Upgrade
Physical Review Letters 106, 225004 (2011)
5.
Suttrop, W.; et al.
Mitigation of edge localised modes with magnetic perturbations in ASDEX Upgrade
Fusion Engineering and Design 88, 446-453 (2013)
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