Forschungsbericht 2014 - Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Teilinstitut Greifswald

Fusionsexperiment WEGA geht in den Ruhestand

Autoren
Wagner, Friedrich
Abteilungen

Stellarator Rand- und Divertorphysik

Zusammenfassung
Nach über zwölf Jahren Forschungsbetrieb stellte die kleine Fusionsanlage WEGA im IPP-Teilinstitut Greifswald Ende 2013 den Betrieb ein. Das „Wendelstein-Experiment in Greifswald für die Ausbildung” macht Platz für die Großanlage Wendelstein 7-X, deren Aufbau in diesem Jahr zum Abschluss kommen wird. An WEGA wurden Studenten und Nachwuchswissenschaftler ausgebildet, um die Zeit bis zur Fertigstellung von Wendelstein 7-X zu überbrücken. Trotz ihrer kleinen Abmessungen konnte WEGA beachtliche Forschungsergebnisse liefern.

WEGA ist ein Experiment der Fusionsforschung mit einer bewegten Vergangenheit. 1975 erstmals in Betrieb gegangen, dient sie der Untersuchung von Plasmen, die magnetisch in einem Torus eingeschlossen sind. Die Besonderheit von WEGA ist, dass sie sowohl als Tokamak wie als Stellarator betrieben werden kann. Im ersten Fall wird – zusätzlich zu einem toroidalen, d. h. ringförmigen Magnetfeld, das von externen Magnetfeldspulen herrührt – die für den magnetischen Einschluss notwendige Verschraubung der Feldlinien durch eine poloidale Feldkomponente produziert, die wiederum durch einen im ringförmigen Plasma fließenden Strom erzeugt wird. Wird WEGA als Stellarator betrieben, entsteht die poloidale Komponente durch Ströme, die in helikalen Windungen fließen, die außen den Plasmaring umgreifen. Beide Konzepte – innerer und äußerer Einschluss – basieren auf Magnetfeldlinien, die auf toroidalen, ineinander geschachtelten Flussflächen liegen und helikal um den Torus laufen. Radiale Feldkomponenten, welche die Plasmateilchen nach außen führen würden, sind dabei strikt zu vermeiden.

Die Verschraubung der Feldlinien wird beschrieben durch die Rotationstransformation iota (ι), eine wichtige Eigenschaft, die für das Gleichgewicht des Plasmaringes und für den magnetischen Einschluss ausschlaggebend ist. Diese Eigenschaft – letztlich eine der Flussfläche – ist quantifiziert durch einen Winkel ι, der sich zeigt, wenn eine Feldlinie nach einem toroidalen Umlauf zu ihrer poloidalen Ausgangsfläche zurückkehrt. Dann bildet der Durchstoßpunkt einen Winkel ι zum Startpunkt der Feldlinie. Magnetischer Einschluss in toroidalen Systemen beruht also auf magnetisch getrennten und ineinander verschachtelten Flussflächen, die ein ringförmiges Volumen ausfüllen.

WEGA – zugleich Tokamak und Stellarator

Tokamak und Stellarator sind die erfolgreichsten magnetischen Einschlusskonzepte und beide werden am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) seit vielen Jahren im Experiment wie in der Theorie untersucht (Abb. 1). Mit WEGA wurde der Vergleich zwischen den beiden Konzepten in einem Experiment möglich. Dies ist wissenschaftlich sehr attraktiv, denn der innere Einschluss des Tokamaks führt zu zweidimensionalen und der äußere Einschluss des Stellarators unvermeidbar zu dreidimensionalen Geometrien. Im einen Fall ist die toroidale Winkelkoordinate eine ignorable Koordinate, im anderen Fall jedoch nicht. Somit ist im Tokamak der toroidale kanonische Impuls eine Erhaltungsgröße mit der Folge guten Teilcheneinschlusses; der Stellarator kann diese Eigenschaft nicht vorweisen. Die Konzeptunterschiede führen daher zu unterschiedlichem Einschlussverhalten, das auf fundamentaler Physik basiert.

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Abb. 1: WEGA in Stellaratorkonfiguration mit Toroidalfeldspulen (blau), helikalen Leitern (orange und grün), Vertikalfeldspulen (rot) sowie Plasma (hellblau).

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Garching und des Centre d’Etudes Nucleaires in Grenoble hatten WEGA gemeinsam konzipiert und realisiert. 1975 ging sie in Grenoble erstmals in Betrieb mit einer Mannschaft, die von beiden Instituten gestellt wurde. Das Akronym WEGA entsprach der wesentlichen wissenschaftlichen Zielsetzung: Wendelstein-Experiment in Grenoble zur Plasmaheizung mit elektromagnetischen Wellen im Radiofrequenz-Bereich. WEGA wurde in Grenoble weitgehend als Tokamak betrieben.

Nach Abschluss der Arbeiten wurde WEGA an das Institut für Plasmaphysik (IPF) der Universität Stuttgart gebracht und neu aufgebaut. Aus technischen Gründen, aber auch wegen einer Umgestaltung des wissenschaftlichen Programms des IPF wurden mit WEGA jedoch keine Plasmen erzeugt. So war das Experiment im Prinzip frei für die Nutzung in Greifswald, als dort im Sommer 2000 das Teilinstitut des IPP feierlich eröffnet wurde.

Im IPP-Teilinstitut Greifswald wird bekanntlich der große optimierte Stellarator Wendelstein 7-X aufgebaut. Die Institutsdirektoren wurden gemeinsam mit der Ernst-Moritz-Arndt Universität berufen, um in der Lehre die Physik des magnetischen Einschlusses zu vertreten und Nachwuchs für das IPP auszubilden. Im Jahr 2000 war klar, dass für den Aufbau von Wendelstein 7-X mehr als ein Jahrzehnt notwendig sein wird. Es war daher eine eigenständige Forschungsinfrastruktur zu schaffen, um über den langen Zeitraum hinweg Diplomanden und Doktoranden ausbilden zu können. Transfer und Aufbau von WEGA schien der schnellste Weg zu diesem Ziel, ein Plan, der dankenswerterweise die volle Unterstützung des IPF fand. Allerdings mussten in Greifswald Aufbau und Betrieb von WEGA ohne wesentliche Mittel auskommen, um den Aufbau von Wendelstein 7-X nicht zu beeinträchtigen. Daher wurde auf den Tokamakbetrieb von WEGA und die Anschaffung einer entsprechenden Energieversorgung verzichtet. Der ausschließliche Stellartorbetrieb passte ohnehin besser zur thematischen Widmung des neuen Instituts. Als Ersatz für die ohmsche Heizung im Tokamak-Betrieb wurden Stellaratorplasmen durch Einstrahlung von elektromagnetischen Wellen erzeugt und geheizt. Weil in Wendelstein 7-X lange Pulse von 30 Minuten Dauer geplant sind, wurde die Plasmaheizung für WEGA bei kostenmäßig vorgegebener Energieversorgung statt für hohe Leistung für lange Pulse ausgelegt. Für die Wasserkühlung und Stromversorgung von Toroidalfeldspulen und Hochfrequenzheizung nutzte man die bereits fertiggestellte Infrastruktur von Wendelstein 7-X. Für die helikalen Spulen musste eine neue Stromversorgung erworben werden, die aber so dimensioniert wurde, dass sie später für die sogenannten Trimmspulen von Wendelstein 7-X verwendet werden konnten.

WEGA als Testfeld

Der Abbau von WEGA in Stuttgart und der Wiederaufbau in Greifswald war die erste große Aufgabe der neu geschaffenen „Technischen Dienste” des Teilinstituts. Dies bot den neuen Kollegen eine ausgezeichnete Möglichkeit sich kennen zu lernen und ihre Fähigkeiten unter Beweis zu stellen. Der Projektleiter von WEGA, Dr. Lingertat, war aus dem Bereich Berlin des IPP nach Greifswald gekommen. Von den unterschiedlichen Standorten des IPP in Garching, Greifswald und Berlin profitierte die Unternehmung WEGA sehr und es war gerade der Improvisationskunst der Kollegen aus den Neuen Bundesländern zu verdanken, dass WEGA mit geringen Kosten in Betrieb genommen werde konnte. Das erste Plasma wurde im Juli 2001 erzeugt, genau ein Jahr nach der Institutseröffnung. Der Name des Experiments wurde unter Beibehaltung des Akronyms WEGA auf die neuen Ziele ausgerichtet: Wendelstein-Experiment in Greifswald für die Ausbildung.

In der Rückschau zeigt sich, dass WEGA zahlreiche Funktionen in der Anfangs- und Aufbauphase des Instituts erfüllte: WEGA war die erste große Aufgabe, welche die Mitarbeiter des neuen Instituts mit großem Erfolg ausführten. Mit WEGA wurden zudem Teile der Infrastruktur für Wendelstein 7-X in Betrieb genommen. Die dabei entdeckten Mängel konnten noch in der Gewährleistungsphase beseitigt werden. Die so gesparten Mittel übertrafen die Kosten für den Aufbau des Experiments.

WEGA half neuen Mitarbeitern, Erfahrung im Betrieb von Experimenten und der Kooperation mit Physikern zu sammeln und diente als Testfeld für ihre Entwicklungen. So wurde zum Beispiel die Prototypensteuerung von Wendelstein 7-X an WEGA getestet.

Auch neue Diagnostik-Verfahren wurden in Vorbereitung von Wendelstein 7-X an WEGA getestet. Das wichtigste Verfahren dabei ist das Elektronenstrahlverfahren zum Nachweis der Qualität des Magnetfeldsystems (siehe unten). Dieser Nachweis ist der letzte Schritt beim Aufbau von Wendelstein 7-X und der erste zu Beginn des Plasmabetriebs. Mangelnde Qualität im Feldsystem, hervorgerufen etwa durch Bau- oder Montagefehler der Spulen, würde sich in Abweichungen und Störungen der geordneten, ineinander verschachtelten Flussflächen zeigen.

An WEGA wurden zudem hochfrequenz-gestützte Verfahren entwickelt, um später das Plasmagefäß von Wendelstein 7-X reinigen und konditionieren zu können. Denn wegen der supraleitenden Spulen und der ständigen Anwesenheit eines Magnetfeldes kann bei Wendelstein 7-X auf die etablierten Techniken nicht zurückgegriffen werden.

WEGA erfüllte auch seine Ausbildungsaufgabe. Insgesamt wurden sechs Doktor-, 15 Diplom- oder Master- und zwei Bachelorarbeiten vergeben. Daneben wurde eine Vielzahl von Praktikanten aus den benachbarten Fachhochschulen von Stralsund und Wismar oder aus den Greifswalder Schulen ausgebildet.

Und nicht zuletzt wurde unter Leitung von Dr. M. Otte und Dr. H.-P. Laqua mit WEGA Grundlagenwissenschaften betrieben. Einige Ergebnisse sollen im Folgenden exemplarisch dargestellt werden.

Grundlagenforschung mit WEGA

WEGA ist ein l=2-Stellarator mit elliptischem Plasmaquerschnitt zusammengesetzt aus fünf toroidalen Perioden (m=5) [1]. Der große Plasmaradius beträgt 72, der kleine 19 Zentimeter. Die Rotationstransformation ι kann durch das Verhältnis von Helix- zu Toroidalfeldstrom im Bereich von 0,1 bis 1 variiert werden. Der Plasmaquerschnitt ergibt sich meist durch die Ausbildung einer magnetischen Separatrix, wobei er sich mit zunehmendem ι verkleinert. Für die Plasmaheizung standen ausschließlich Hochfrequenz-Sender bei 2,45 Gigahertz und 6 bzw. 20 Kilowatt Leistung sowie bei 28 Gigahertz und 10 Kilowatt zur Verfügung. Sollte die Plasmaheizung resonant erfolgen – die Gyrationsfrequenz der Elektronen um die Feldlinien entspricht dann der Frequenz der eingestrahlten Wellen – so sind die Magnetfelder auf 87,5 bzw. 1.000 Milli-Tesla beschränkt. Da das Magnetfeld der WEGA nicht über 0,5 Tesla erhöht werden durfte, wurden Experimente mit 28 Gigahertz bei der 2. Harmonischen Frequenz − also bei halbem Feld − ausgeführt. Damit die elektromagnetischen Wellen in das Plasmainnere vordringen können, muss ihre Frequenz oberhalb der Plasmafrequenz ωp liegen. Dieser Umstand beschränkte die Plasmadichte auf 1019 Teilchen pro Kubikmeter. Diese grundsätzlichen Beschränkungen definierten eines der Forschungsfelder für die WEGA – Heizverfahren zu entwickeln, welche diese Beschränkungen umgehen, also nicht-resonante Verfahren sowie die Ausdehnung des Arbeitsbereiches hin zu hohen Dichten.

Die maximalen Elektronentemperaturen lagen im Bereich von 20 Elektronenvolt [2]. Bei den Dichten von typisch 1018 m-3 war zu erwarten, dass die Ionentemperatur nicht weit über die der Neutralteilchen ansteigen wird, also grob der Umgebungstemperatur entsprechen wird. In WEGA war es also nur möglich, die Elektronendynamik des Plasmas zu untersuchen. Ein solches Plasma findet sich in der Randschicht fusionsrelevanter Plasmen: die Elektronen sind magnetisiert, die Ionen nur zum Teil. Das Stoßverhalten des Plasmas hat Flüssigkeitscharakter, jedoch ohne die im Fusionsplasma starke Anisotropie zwischen paralleler und senkrechter Bewegung zum Magnetfeld.

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Abb. 2: Oben: Ineinandergeschachtelte Flussflächen des magnetischen Feldes von WEGA, links mit einem feinen Elektronenstrahl sichtbar gemacht, daneben im Vergleich die Rechnung. Die Rotationstransformation ι ist über den gesamten Bereich eine irrationale Zahl.

Unten: Flussflächen bei rationaler Rotationstransformation ι=1/3 am Plasmarand. Dies führt dort zur Ausbildung von drei magnetischen Inseln.

Abbildung 2 (links) zeigt Flussflächen an WEGA, die mit einem feinen Elektronenstrahl vermessen wurden [3]. Dabei wird ein kleiner Elektronenemitter an einen Raumpunkt im Torus gebracht. Der Elektronenstrahl läuft entlang des Magnetfeldes um den Torus. Er trifft nach einem Umlauf nicht etwa auf die Quelle, sondern definiert in der poloidalen Ebene der Quelle den Winkel ι der Rotationstransformation. Nachgewiesen wird der Auftreffpunkt des Strahls mit einem beweglichen Stab, der mit einem fluoreszierenden Material bedeckt ist. Ist ι eine irrationale Zahl, dann läuft der Elektronenstrahl weiter um in toroidaler und poloidaler Richtung und bildet so die Flussfläche ab. Bis zu 40 Umläufe konnten an WEGA beobachtet werden. Ist ι eine rational Zahl ι=n/m, dann schließt sich die Elektronenbahn nach n poloidalen und m toroidalen Umläufen. In diesem Fall kann man in der Referenzebene nur m Leuchtpunkte entdecken. Die radiale Verschiebung der Quelle erlaubt die Darstellung des gesamten, verschachtelten Flussflächensystems.

In der oberen Hälfte dieser Abbildung (Abb. 2(a)) wird ein Fall gezeigt, wie er ideal für magnetischen Einschluss ist: Die Flussflächen sind in der Tat verschachtelt und weisen bis auf den Plasmarand keine Feldfehler auf. Im gesamten radialen Bereich ist ι irrational. Daneben ist zum Vergleich die berechnete Konfiguration gezeigt. Dagegen zeigt die Abbildung unten (Abb. 2(b)) einen Fall mit einem rationalen ι am Plasmarand, ι=1/3. Diese Situation ist sehr empfindlich gegen äußere Feldstörungen. In einem solchen Fall, wie hier gezeigt, kann die Flussflächentopologie aufbrechen und es bilden sich m=3 magnetische Inseln aus. Mit der Annahme, dass die Spulensysteme der WEGA nicht ganz genau zentriert sind, sondern die Achse des Toroidalfeldspulensystems zur Achse der helikalen Spulen um drei Millimeter verschoben ist, ergibt sich das rechnerisch ermittelte Bild daneben. Solche magnetischen Inseln sind in der Regel im Plasmainneren unerwünscht, weil sie die radialen Bereiche über die Inselbreite hinweg thermisch kurzschließen und den Einschluss verschlechtern. An WEGA wurde mit Erfolg ein Verfahren getestet, welches auch an Wendelstein 7-X zum Einsatz kommen wird: durch äußere Trimmspulen solche Störungen zu unterdrücken oder für Forschungszwecke zu vergrößern. Diese apparative Möglichkeit war von Nutzen bei der Untersuchung der Turbulenzeigenschaften in magnetischen Inseln und ihrer Umgebung [4].

Überdichte Plasmen

Ein wichtiges Forschungsfeld für WEGA war die Ausdehnung des Arbeitsgebietes hin zu sogenannten überdichten Plasmen [5], der Versuch also, die optischen Beschränkungen in der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in einem dispersiven Medium zu überkommen. Der von der Theorie vorgezeichnete Weg dabei ist, Wellen mit dem E-Feldvektor parallel zum äußeren Magnetfeld (O-Mode) unter einem Winkel einzustrahlen, sodass sich am Ort der Reflexion der Welle (cut-off, ω=ωp) über Modenkonversion eine X-Mode (E-Feldvektor senkrecht zum äußeren Magnetfeld) ausbilden kann [6]. Diese Welle erfährt an der oberen Hybridschicht (für sie gilt: ωoh2p2ce2, ωoh ist die obere Hybridfrequenz) wiederum eine Modenkonversion hin zu einer elektrostatischen Bernsteinwelle. Dieser Wellentyp ist den Beschränkungen elektromagnetischer Wellen nicht mehr unterworfen und breitet sich auch jenseits der cut-off-Dichte aus. So wird Plasmaheizung bei hohen Plasmadichten möglich. Auf diese Weise konnten bei WEGA Plasmen bei der 10-fachen cut-off-Dichte erzeugt und untersucht werden.

Die drei Hochfrequenz-Heizsysteme ermöglichten auch die Kombination unterschiedlicher Heizszenarien. So zeigte das Plasma einige Subtilitäten, insbesondere wenn es bei beiden Frequenzen (2,45 GHz und 28 GHz) geheizt wurde. In diesem Falle entwickelt sich eine energiereiche Elektronenkomponente mit relativistischen Energien bis in den Megaelektronenvolt-Bereich hinein. Diese Elektronen sind zwar an die Flussflächen gebunden, ihre Bahnen entwickeln aber eine stark nach außen verschobene und zur Plasmamitte hin komprimierte Topologie. In dieser Form koppeln die Elektronen effektiv mit dem Wellenfeld in der Nähe des Senders. Es kommt zu einer stochastischen Elektronenheizung, die frei ist von Resonanzbedingungen. Sie wird damit zu einer universellen Plasmaheizung.

Einfluss der Rotationstransformation auf die Feldqualität

Da die Wechselwirkung mit dem Wellenfeld nicht symmetrisch ist, tragen die energiereichen Elektronen einen Strom, der im Stellarator leicht gemessen werden kann. Daneben ist die energetische Elektronenkomponente „stoßfrei”, d. h. anders als die Elektronen des Grundplasmas laufen sie ohne Wechselwirkung um den Torus.

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Abb. 3: Einfluss der Rotationstransformation iota am Plasmarand auf den hochfrequenz-getriebenen Strom der Elektronen (Iplasma). Die Wirkung von iota auf die Feldqualität wird so sichtbar.

In dieser Situation tasten sie empfindlich die Besonderheiten des Flussflächensystems ab. Abbildung 3 zeigt den Strom der energiereichen Elektronen als Funktion der Rotationstransformation ι und dokumentiert, wie die schnellen Elektronen zu einer Sonde für die Feldqualität werden. Wie oben dargelegt, bilden sich an Flussflächen mit rationalen ι-Werten magnetische Inseln aus. Diese ι-Werte sind in der Abbildung vermerkt: Man erkennt den starken Einfluss der Feldqualität, wie es ja für magnetischen Einschluss nicht verwunderlich sein sollte. Genau an den rationalen Werten zeigen sich Minima im Strom. Ähnliche Abhängigkeiten, und zwar im Teilcheneinschluss, wurden schon in einem der ersten Stellaratoren des IPP, Wendelstein 2a, entdeckt [7]. Wiewohl die Iota-Abhängigkeit des Einschlusses ein altbekannter Effekt ist, sind wichtige Details bis heute nicht geklärt.

So schließt sich ein Kreis. WEGA endete nun, weil Wendelstein 7-X starten wird. WEGA wird sich einen neuen Nutzer suchen müssen. In den nächsten Wochen wird eine Delegation aus den USA erwartet und die robuste WEGA vielleicht zu ihrer nächsten Reise eingeladen.

Literaturhinweise

1.
Otte, M.; et al.
The WEGA stellarator: results and prospects
AIP Conference Proceedings 993, 3-10 (2008); doi: 10.1063/1.29091
2.
Horvath, K.; et al.
Investigations of the electron temperature profiles at the WEGA stellarator
Plasma Physics and Controlled Fusion 48, 315-323 (2006)
3.
Drewelow, P.; et al.
Three-dimensional photogrammetric measurement of magnetic field lines in the WEGA stellarator
Review of Scientific Instruments 80, 123501 (2009); doi: 10.1063/1.3263820
4.
Marsen, S.; et al.
Impact of magnetic islands on turbulent transport in the WEGA stellarator
Nuclear Fusion 52, 054014 (2012); doi: 10.1088/0029-5515/52/5/054014
5.
Stange, T.
Microwave heating and diagnostic of suprathermal electrons in an overdense stellarator plasma
PhD thesis, Technical University Berlin, 2013
6.
Preinhalter, J.; Kopeck’y, V.
Penetration of high-frequency waves into a weakly inhomogeneous magnetized plasma at oblique incidence and their transformation to Bernstein modes
Journal of Plasma Physics 10, 1-12 (1973)
7.
Grieger, G.
Testplasma im Wendelstein-Stellarator W IIa
Die Naturwissenschaften 57, 216-222 (1970)
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