Video 1: Dieser Film zeigt ein Interview mit Prof. Dr. Friedrich-Wagner, der Leiter des Stellarator Experiments Wendelstein 7-AS war, zuletzt 1999-2007 am Wendelstein 7-X in Greifswald. © IPP Greifswald^[1]

Verdoppelte Heiz­leistung, 40 neue Diagnostiken und 6,8 Kilometer Kühl­rohre: Der Greifs­walder Stellarator hat seine volle Ausbau­stufe erreicht und beginnt im Herbst 2022 wieder mit wissen­schaftlichen Experimenten. Die deutlich verbesserte Ausstattung der Fusions­anlage soll in wenigen Jahren einen Plasma­betrieb von bis zu 30 Minuten ermöglichen.

Drei Jahre lang hatten bei Wendelstein 7-X vor allem Ingenieure und Techniker das Sagen. Es ging darum, das Kernfusions­experiment des MaxPlanck-Instituts für Plasma­physik (IPP) am Standort Greifswald auf seine volle Ausbau­stufe zu heben. Wichtigstes neues Element des verbesserten Stellarators ist ein wasser­gekühlter Divertor (HighHeat-Flux-Divertor). Divertoren sind wichtige Bauteile in Fusions­anlagen, weil sie die vom Plasma getragene Energie­mengen und Teilchen abführen und somit deren ungünstigen Kontakt mit der Gefäßwand sowie die Verunreinigung des Plasmas verhindern. Dafür müssen die Divertor-Prallplatten hohe Temperaturen aushalten. Durch die 120 neuen Divertor-Module mit Kühl­system kann Wendelstein 7-X nun mit deutlich höheren Plasma­energien betrieben werden. Dafür und für andere Komponenten von Wendelstein 7-X wurden insgesamt 6,8 Kilometer Kühlrohre – unter­schiedlich in Form und Dicke – gefertigt, isoliert, eingepasst und verschweißt. Insgesamt 657 voneinander unabhängige Kühl­kreis­läufe führen die Wärme im Wendelstein 7-X ab.

Die künftig möglichen höheren Plasmaenergien erzeugen die drei Heizsysteme mit insgesamt mehr als verdoppelter Leistung:

• Die neue Ionenheizung mit Radio­wellen kann maximal 1,5 Megawatt Leistung einspeisen,
• die Heizleistung der Neutral­teilchen­injektion wurde auf 7 Megawatt verdoppelt
• und die Elektronen­heizung mit Mikro­wellen wurde auf 10 Megawatt erweitert.

60 Kilometer Kabel und Schläuche wurden installiert – zusätzlich zu den bereits vorhandenen 280 Kilometern. Zusätzlich wurden 40 Diagnostiken erweitert oder neu installiert, um das Plasma genauer und umfangreicher vermessen zu können. Vom Herbst 2022 an werden nun wieder Wissen­schaftler:innen in einem international zusammen­gesetzten Team Wendelstein 7-X zu neuen Höchst­leistungen treiben. „Mit der verbesserten Ausstattung wollen wir in wenigen Jahren Hochleistungs-Plasmen mit bis zu 18 Gigajoule Energieumsatz über eine halbe Stunde stabil halten”, erklärt Prof. Dr. Thomas Klinger, Leiter des Bereichs Stellarator-Dynamik und -Transport am Max-Planck-Institut für Plasma­physik in Greifswald. „Jetzt wird es darum gehen, uns Schritt für Schritt an dieses Ziel heranzutasten und mehr über den Plasma­betrieb bei höheren Energien zu lernen, ohne die Maschine zu schnell zu stark zu belasten.” Allein für die kommende Experimentkampagne (OP 2.1), die voraus­sichtlich bis Ende März 2023 andauern wird, wurden mehrere hundert Experiment­vorschläge eingereicht – von Forschenden aus dem IPP und zahlreichen internationalen Instituten sowie Universitäten aus der EU, den USA und Japan.

„Eine wichtige Aufgabe wird darin bestehen, zu lernen, wie wir die im Plasma ankommende Heiz­energie und damit die Plasma­temperaturen steigern können”, sagt Prof. Klinger. Bis zu einem Gigajoule Energie­umsatz ist in dieser Phase geplant (der Energie­umsatz ist die einge­koppelte Heiz­leistung multi­pliziert mit der Dauer der Entladung). Vor dem Umbau lag der Best­wert bei 75 Megajoule. Der Energie­gehalt, also die Bewegungs­energie aller Plasma­teilchen, konnte damals auf bis zu 1­Megajoule gesteigert werden – das ist der bis heute geltende Welt­rekord für Stellaratoren. Es gelangen zudem langlebige Plasmen von 100 Sekunden Dauer bei guten Plasma­kenn­größen.

In früheren Experimenten hatte sich gezeigt, dass zwar das Aufheizen der Elektronen im Plasma sehr erfolg­reich war. Sie sollen ihre Energie anschließend an die Ionen weiter­geben. Die Ionen erreichten jedoch noch nicht die erwarteten Temperaturen. Im Zusammen­hang damit wird die Erforschung von Turbulenzen, die im Plasma auftreten, wichtig sein. Sie haben in Stellaratoren einerseits eine wichtige Funktion, weil sie Verunreinigungen im Plasma entfernen. Andererseits behindern sie den Energie­transport. Und den wollen die Forschenden in Greifswald in den bevorstehenden Experimenten deutlich besser verstehen und kontrollieren.

Quellen
[1] Max-Planck-Institut für Plasmaphysik – IPP Greifswald und Garching

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