Entwicklung einer Hochfrequenz-Ionenquelle für ITER

Ziel der Kernfusionsforschung ist es, die Energieproduktion der Sonne auf der Erde nachzuvollziehen und aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie zu gewinnen. Zum Zünden des Fusionsfeuers muss ein Plasma in Magnetfeldern eingeschlossen und auf Temperaturen über 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Dazu werden wirkungsvolle Heizmethoden benötigt, unter denen die so genannte „Neutralteilchenheizung“ eine wesentliche Rolle einnimmt. Hierbei wird Energie durch Stöße mit sehr schnellen Teilchen übertragen, die von außen in das Plasma eingeschossen werden. Mit leistungsstarken Teilchenstrahlen aus neutralem Wasserstoff werden heute Fusionsplasmen auf ein Vielfaches der Sonnentemperaturen aufgeheizt.

1. Neutralisation von Wasserstoffionen

Um durch das Magnetfeld ins Innere des Plasmas eindringen zu können, müssen die eingeschossenen Teilchen elektrisch neutral sein. Da das Plasma aus Wasserstoff – Hydrogenium H oder Deuterium D – besteht, muss die eingeschossene Teilchensorte ebenfalls H oder D sein, um das Plasma nicht zu verunreinigen. Nur in Ausnahmefällen wird das radioaktive Tritium eingeschossen. Außerdem muss die Energie der eingeschossenen Teilchen wesentlich größer sein als die mittlere Energie der Plasmateilchen, d.h. die Plasmatemperatur, damit durch Stöße der schnellen eingeschossenen mit den langsameren Plasmateilchen genügend Energie übertragen wird. Je nach Größe des Experiments liegen die gewünschten Temperaturen zwischen 50 bis 300 Millionen Grad oder 5 bis 30 Kiloelektronenvolt. Die erforderlichen Strahlenergien betragen ca. 50 bis 1000 Kiloelektronenvolt, was einer Geschwindigkeit zwischen 3000 und 13000 Kilometer pro Sekunde (für H) entspricht.

Die Ionenstrahlen werden ähnlich erzeugt wie in der Atom- und Kernphysik, nur mit ungleich höheren Stromstärken (Abb. 1): Aus einer Plasmaquelle werden positive oder negative Plasmaionen mit einem elektrostatischen Extraktionssystem abgesaugt und durch hintereinander liegende, isolierte metallische Elektroden auf Energien bis zu einem Megaelektronenvolt beschleunigt. Durch Ladungsaustausch der schnellen Ionen an einem Gasvorhang entstehen schnelle Neutralatome mit praktisch derselben Geschwindigkeit, da bei dem Austauschstoß mit den Gasmolekülen kaum Energie verloren geht. Die Umladung ist jedoch nicht vollständig; ein Teil des Strahls bleibt ionisiert. Der neutralisierte Anteil sinkt bei positiven Ionen mit wachsender Geschwindigkeit bzw. Energie. Bei den derzeitigen Experimenten mit H-Energien von 50 oder D-Energien von 100 Kiloelektronenvolt liegt die Umladungsausbeute, d.h. der Neutralisationsgrad, bei etwa 50 Prozent. Die neutralisierten Atome durchdringen das Magnetfeld der Plasmaanlage und werden durch Stöße mit den Plasmateilchen wieder ionisiert.

Da sie nun als schnelle Ionen vom Magnetfeld eingefangen sind, können sie durch weitere Stöße mit den Plasmaionen und -elektronen ihre Energie abgeben und so das Plasma aufheizen. Die Eindringtiefe der Neutralatome in das Plasma bis zum Ort ihrer Ionisation steigt mit ihrer Geschwindigkeit. Mit wachsender Größe der Experimente werden daher – wegen der notwendigen Eindringtiefe der Neutralteilchen in das Plasma – immer höhere Geschwindigkeiten, sprich Energien nötig. Da mit wachsender Geschwindigkeit aber der Neutralisationsgrad abnimmt, sinkt damit auch der elektrische Wirkungsgrad der Neutralteilchenheizung (Abb. 2).

Will man für den internationalen Testreaktor ITER- Energien von 1 Megaelektronenvolt verwirklichen, so muss man deshalb zu Strahlen aus negativen Ionen übergehen. Sie besitzen einen konstant hohen und Energie-unabhängigen Neutralisationsgrad von 60 Prozent. Dagegen sinkt der Neutralisationsgrad positiver Ionen oberhalb 100 Kiloelektronenvolt auf Werte unter 20 Prozent stark ab und ist bei 1 Megaelektronenvolt nahezu Null.

2. Die Herausforderung: negative Wasserstoffionen für ITER

Die Herstellung intensiver Strahlen negativer Wasserstoff-Ionen ist allerdings wesentlich schwieriger als die positiver Ionen: Die geringe Bindungsenergie – rund 0,7 Elektronenvolt – des zusätzlichen Elektrons macht das negative Wasserstoff-Ion zu einem äußerst fragilen Gebilde, dessen Erzeugung und Beschleunigung ein Reihe von Problemen aufwirft. Die hohe Energie von 1 Megaelektronenvolt macht zudem die Entwicklung von entsprechend leistungsstarken Hochspannungsgeräten und großkalibrigen Vakuumisolatoren erforderlich. Während die Physik und Technik der positiven Ionen seit Anfang der 70er-Jahre mit großem Erfolg entwickelt und eingesetzt wurde, stehen heute die negativen Ionen noch ziemlich am Beginn ihrer Entwicklung. Nur die beiden japanischen Experimente JT-60 U (Japanese Tokamak) und LHD (Large Helical Device) arbeiten seit einigen Jahren mit negativen Ionen. Diese Anlagen haben gezeigt, wie viel schwieriger Physik und Technik der negativen Ionen sind als die ihrer positiv geladenen Partner.

Um Heizleistungen von einigen 10 Megawatt zu erzielen, sind für ITER extrem hohe Strahlströme von 40 Ampere notwendig. Aufgrund der oben beschriebenen physikalischen Eigenschaften sind die erreichbaren Stromdichten (Strom / Extraktionsfläche) mit ca. 20 Milliampere pro Quadratzentimeter etwa eine Größenordnung niedriger als bei positiven Ionen. Dies führt zu entsprechend größeren Extraktionsflächen. Man hat es daher bei negativen Ionen mit riesigen Quellen zu tun – bei ITER zum Beispiel rund 1,5 x 0,6 Quadratmeter Extraktionsfläche. Außerdem muss der Gasdruck in der Ionenquelle 5- bis 10-mal kleiner als der positiver Ionenquellen sein, d.h. etwa 0,3 Pascal (1 Pascal = 0,01 mbar), damit die lose gebundenen Elektronen nicht schon während der Beschleunigung durch Stöße mit den Gasmolekülen vorzeitig abgestreift werden. Trotz dieses vergleichsweise niedrigen Drucks verliert man so immer noch 10 bis 20 Prozent der negativen Ionen. Außerdem muss verhindert werden, dass im Ionenstrahl Elektronen, die ja auch negativ geladen sind, mit beschleunigt werden, da sonst der Vorteil der negativen Ionen – nämlich der höhere Wirkungsgrad für die Erzeugung von hochenergetischen Neutralatomen – zunichte gemacht würde. Man muss die Elektronen deswegen schon bei der Extraktion weitgehend unterdrücken: Das Verhältnis von extrahiertem Elektronen- zu Ionenstrom sollte nicht größer als 1 sein und die Elektronen müssen mit einer Energie von wenigen Kiloelektronenvolt aus dem Strahl gelenkt und thermalisiert werden.

Ein weiterer signifikanter Unterschied zu den bisherigen Systemen mit positiven Ionen ist die Pulsdauer von einer Stunde für ITER, also praktisch Dauerbetrieb, gegenüber typisch 10 Sekunden bei den derzeitigen Experimenten. Schließlich kommt noch die hohe Energie hinzu – 1 Megaelektronenvolt bei ITER. Insgesamt hat man es also nicht nur mit der äußerst kapriziösen Physik und Technik der negativen Ionen zu tun, sondern dies auch noch bei riesigen Quellen, extrem hohen Energien und quasi im Dauerbetrieb.

3. Physikalische Prozesse bei negativen Ionen

Nach den derzeitigen Vorstellungen laufen die Prozesse, die an der Bildung von H^-- bzw. D^--Ionen in einer Plasmaquelle hauptsächlich beteiligt sind, folgendermaßen ab: Aus dem primären Plasma, dem so genannten „Driver“, strömt ein Fluss von neutralen Wasserstoffatomen und positiven Ionen auf die Innenwände und insbesondere auf das erste Gitter, das Plasmagitter (Abb. 3). An der Oberfläche, deren Austrittsarbeit nicht zu hoch im Vergleich zur Bindungsenergie des negativen Ions sein soll, werden dann negative Ionen losgeschlagen, die zunächst in Richtung Plasma laufen. Durch geeignete Formgebung der Extraktionsöffnungen bzw. ihrer Nachbarschaft kann ein Teil der Ionen in die richtige Richtung, d.h. aus dem Plasma heraus, emittiert werden. Diese Ionen werden dann durch das elektrische Feld der Extraktion – ca. 10 Kilovolt – erfasst, zum Strahl gebündelt und dann weiter auf ca. 30 Kiloelektronenvolt beschleunigt (Abb. 4).

Zur Umlenkung der negativen Ionen könnte außerdem noch die Streuung oder der Ladungsaustausch an Neutralatomen beitragen sowie die Krümmung der Bahnen durch das Filter-Magnetfeld (s.u.). Üblicherweise haben Metalle wie Kupfer oder Molybdän, die als Gittermaterialien in Frage kommen, eine relativ hohe Austrittsarbeit von 4 bis 5 Elektronenvolt. Alkalimetalle wie Li, Na und Cs dagegen liegen mit ca. 2 Elektronenvolt wesentlich niedriger, sind aber für die Herstellung von Gittern wegen ihrer chemischen und mechanischen Eigenschaften nicht geeignet. Man hat daher in den letzten Jahren eine Technik entwickelt, bei der eine dünne Schicht von ca. einer Atomlage Cäsium (Cs) durch Verdampfen auf die Innenwände der Plasmaquelle aufgebracht wird. Hierdurch erniedrigt sich die Austrittsarbeit entsprechend: Die Ionenausbeute steigt um rund das Fünffache an. Der Nachweis dieses Zusammenhangs durch direkte Messung der Austrittsarbeit in situ ist in Vorbereitung. Frühere Vorstellungen über die Bildung von H^- über Prozesse im Plasmavolumen statt an der Wand sind mit diesen Beobachtungen kaum in Einklang zu bringen.

Wichtig bei der Erzeugung von negativen Ionen ist die Beherrschung der Zerstörungsprozesse: Die Hauptfeinde von H^- bzw. D^- sind nämlich gegenseitige Neutralisationsstöße mit H⁺ und D⁺ sowie, oberhalb einer Elektronentemperatur von 1,5 Elektronenvolt, die Ionisationsstöße durch Elektronen. Da die entsprechenden freien Weglängen der negativen Ionen bei den vorliegenden Plasmaparametern nur bei 1 bis 2 Zentimetern liegen, können nur negative Ionen in der unmittelbaren Nachbarschaft des Plasmagitters zur extrahierten Ausbeute beitragen. Um die Elektronentemperatur im Extraktionsbereich niedrig zu halten, wird das primäre Plasma daher durch ein Quermagnetfeld von ca. 50 Gauß – ein so genanntes „magnetisches Filter“ (siehe Abb. 3) – abgekühlt: Es zwingt die Elektronen auf Kreisbahnen von nur wenigen Millimeter Durchmesser und behindert damit die Elektronen in ihrer Beweglichkeit quer zum Feld, d.h. in Richtung Extraktionsbereich. Dieser Behinderung können die Elektronen jedoch durch Stöße entkommen. Da die Häufigkeit dieser Stöße um so größer wird, je langsamer die Teilchen sind, können kalte Elektronen sich leichter durch das Filterfeld hindurchbewegen als schnelle. Das Quermagnetfeld senkt gleichzeitig den mitextrahierten Elektronenstrom und trägt möglicherweise auch zur Re-Orientierung der an der Plasmagitter-Oberfläche entstandenen Ionen bei.

4. Die Hochfrequenzquelle

Die bisher hauptsächlich eingesetzten Quellen für positive und für negative Ionen sind im Bereich von einigen Pascal arbeitende Niederdruck-Bogenquellen. Sie benötigen Glühkathoden (Abb. 5 oben), aus denen Elektronen emittiert und von einer Gleichspannung von ca. 100 Volt auf Ionisationsenergie beschleunigt werden. Die durch Stöße erzeugten Ladungsträger führen zu einem lawinenartigen Anwachsen des Entladungsstroms, der schließlich durch die Verluste auf die Gefäßwände begrenzt wird und dann einen stationären Wert erreicht. Da Glühkathoden sehr reparaturanfällig sind und solche Reparaturen bei ITER nur per Fernbedienung möglich wären, würden sie hier einen erheblichen Aufwand und signifikante Ausfallzeit verursachen.

Mitte der 90er-Jahre ging am Garchinger Tokamak ASDEX Upgrade ein neuer Neutralteilcheninjektor (mit positiven Ionen) in Betrieb, der weltweit zum ersten Male mit Hochfrequenz-Plasmaquellen (Abb. 5 unten) ausgestattet war. Da in diesem Quellentyp die ionisierenden Elektronen durch eine Hochfrequenzwelle und nicht mehr durch Glühkathoden erzeugt werden, versprechen die Hochfrequenz-Quellen eine erheblich längere Lebensdauer. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch einen einfacheren elektrischen und mechanischen Aufbau aus, was zu signifikanten Kosteneinsparungen führt.

5. Eine Hochfrequenzquelle für negative Ionen

Derzeit werden Neutralteilcheninjektoren mit negativen Ionen weltweit in mehreren Laboratorien entwickelt, bisher auf der Grundlage von Bogenquellen, die wegen der oben beschriebenen Probleme allerdings für ITER nur schwer vorstellbar sind. ITER hat daher ein großes Interesse an der Technik der Hochfrequenz-Quellen. Im Jahr 2002 wurde ein Entwicklungsvertrag zwischen EFDA (European Fusion Development Agreement) und dem MPI für Plasmaphysik in Garching geschlossen, in dessen Rahmen die Eignung der Hochfrequenz-Quelle für ITER genauer zu untersuchen und alle für ITER erforderlichen Parameter nachzuweisen sind:

• D^--Stromdichte von 20 Milliampere pro Quadratzentimeter
• Elektron-Ionen-Verhältnis I_e / I^- ≤ 1

• Gasdruck ≤ 0,3 Pascal
• Pulslänge: 1 Stunde

Ausgenommen wurde die Energie und die volle Extraktionsfläche: Die Strahlenergie ist unabhängig vom Quellentyp und für die Eignung der Quelle irrelevant. Man kann sich daher auf relativ niedrige Energien von 30 Kiloelektronenvolt beschränken. Bei der Extraktionsfläche wollte man den Aufwand begrenzen: Es wird nur die Größenskalierbarkeit der Hochfrequenz-Quelle anhand einer Plasmaquelle von halber ITER-Größe – ohne Extraktion – nachgewiesen.

6. Apparaturen

Das Entwicklungsprogramm läuft parallel an drei Testständen: Am ersten Teststand werden bei beschränkten Extraktionsflächen (< 100 Quadratzentimeter) und kurzen Pulslängen (< 10 Sekunden) Stromdichte, Elektronenanteil und Gasdruck optimiert. Der zweite erlaubt die Ausdehnung der Extraktionsfläche auf rund 300 Quadratzentimeter bei einer Pulslänge von einer Stunde. Da im Deuterium-Betrieb auch bei niedrigen Energien um 30 Kiloelektronenvolt Neutronen erzeugt werden, benötigt dieser Teststand eine gewisse Abschirmung gegen Neutronen durch Polyäthylen und Wasser. Die dritte Testanlage ist noch im Aufbau und wird der Größenskalierbarkeit gewidmet sein.

Den schematischen Aufbau der Hochfrequenz-Quelle für negative Ionen zeigt Abbildung 3. Sie besteht aus dem „Driver“, in dem eine Hochfrequenzwelle das Plasma erzeugt, dem Expansionsbereich, in den auch der Cs-Dampf eingeführt wird und dem durch das magnetische Filterfeld abgetrennten Extraktionsbereich. Da das magnetische Filterfeld durch außen angebrachte starke Permanentmagnete erzeugt wird, ist es nicht homogen, sondern nimmt von mehreren 100 Gauß am Rand auf einige 10 Gauß in der Mitte ab. Abbildung 6 zeigt die Außen- und Innenansicht der Quelle. Die drei Gitterelektroden, das Plasmagitter, das Extraktions- und das Erdgitter erzeugen bis zu mehreren 100 Einzel-Strahlbündel. Das Extraktionsgitter muss dabei zwei Aufgaben erfüllen: die Extraktion des Ionenstrahl und die Beseitigung des Elektronenanteils. Letzteres wird durch kleine, im Gittermaterial eingebaute Permanent-Magnete erreicht (Abb. 3), welche die leichten Elektronen in dafür vorgesehene Taschen lenken, ohne die viel schwereren Ionen wesentlich zu beeinflussen. Der aufgefangene Elektronenstrom ist für das Extraktionsgitter eine thermische Belastung, die sich aus dem Elektronenstrom multipliziert mit der Extraktionsspannung errechnet. Der maximal erlaubte Wert von I_e / I^- (Elektronen-Ionen-Verhältnis) ist deshalb im Wesentlichen durch die über das filigrane Kühlkanalsystem im Extraktionsgitter abführbare Kühlleistung auf Werte um 1 begrenzt.

7. Bisherige Ergebnisse der IPP-Entwicklung

Während im Cs-freien Betrieb die Hochfrequenz-Quelle nur Stromdichten von wenigen Milliampere pro Quadratzentimeter H^- liefert, erhöht sich die Ausbeute drastisch mit der Zuführung von Cs-Dampf in den Expansionsbereich. Optimale Verhältnisse werden jedoch erst nach einigen Betriebstagen erreicht, da die Cs-Verteilung auf den Innenwänden einer komplizierten Dynamik unterliegt. Sind diese Bedingungen jedoch erreicht, so lässt sich der Zustand ohne wesentliche Probleme über mehrere Monate reproduzierbar aufrecht erhalten. Ein Beispiel einer Kampagne von 10 Tagen zeigt Abbildung 7 für eine Extraktionsfläche von 70 Quadratzentimetern und Pulslängen bis 5 Sekunden. Auch nach längeren Experiment-Pausen incl. Belüftung der Quelle übertrifft die gemessene H^--Stromdichte während einer Experimentserie von über drei Monaten die für ITER erforderlichen Werte, wohlgemerkt im richtigen Druckbereich und mit niedrigem I_e / I^- (<1).

Etwas schwieriger ist der Deuterium-Betrieb, bei dem die Unterdrückung der Elektronen stärkere Filterfelder erfordert. Sie begrenzen die maximal einkoppelbare Hochfrequenz-Leistung aus noch nicht verstandenen Gründen. Dennoch wurden auch bei D^- die für ITER erforderlichen Stromdichten bei I_e / I^- ≤ 1 reproduzierbar überschritten (Abb. 7). Dabei wird die Quelle im Laufe der Kampagne bezogen auf die erforderliche Hochfrequenz-Leistung immer effizienter. Erste Versuche, die Extraktionsfläche auf 300 Quadratzentimeter und die Pulslänge auf 20 Sekunden auszudehnen, waren bereits erfolgreich.

Das experimentelle Programm wird von umfangreicher Diagnostik begleitet. Insbesondere die optische Emissionsspektroskopie hat sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Hilfsmittel entwickelt. So lassen sich eventuelle Verunreinigungen nachweisen und die Cs⁰- und Cs⁺-Dichten sowie die H^--Ionendichte vor dem Plasmagitter messen. Ein Beispiel zeigt Abbildung 8: Zwischen der Volumendichte des Cs einerseits und der H^--Ausbeute andererseits gibt es keinen Zusammenhang. Dies wird heute als Evidenz dafür angesehen, dass die Bildung von H^- bei diesen niedrigen Drucken und hohen Stromdichten im Wesentlichen von Oberflächenprozessen bestimmt wird.

9. Ausblick

Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass die Hochfrequenz-Quelle des IPP auf dem besten Wege ist, als Kandidat für ITER in Betracht gezogen zu werden. Sie ist in den verlangten Parametern Stromdichte, Druck und Elektronenanteil der Bogenquelle ebenbürtig bzw. sogar überlegen. Für eine endgültige Eignung muss noch die Größenskalierbarkeit gezeigt werden, der Nachweis der Dauerstrichfähigkeit steht unmittelbar bevor. Hierzu steht der Teststand für lange Pulse kurz vor der Inbetriebnahme. Die Arbeiten werden sich vor allem auf die Beherrschung aller thermischen Belastungen und die dynamische Regelung der Cs-Bedeckung konzentrieren. Ziel ist ein konstanter Ionenstrom und ein ökonomischer Cs-Verbrauch.

Das Größenskalierungsexperiment mit der halben ITER-Quelle wird derzeit aufgebaut. Ein flexibler Aufbau der Plasmaquelle mit bis zu vier Drivern wird die Optimierung von Gefäßdimensionen, Anzahl und Anordnung der Driver ermöglichen. Ziel ist ein möglichst homogenes H^-/D^--Dichteprofil. Da wegen des technischen Aufwands zunächst keine globale Extraktion aus der gesamten Fläche vorgesehen ist, wird die Plasmaquelle mit ausreichender Diagnostik versehen sein, die nach einer Eichung an den beiden anderen Testständen eine Aussage über die zu erwartende Stromdichte liefern soll.