100 Mio. Grad für die Kernfusion

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) in Garching haben eine neue Heizung entwickelt, die im internationalen Fusionstestreaktor ITER, dessen Bau im südfranzösischen Cadarache kürzlich beschlossen wurde, die extremen Anforderungen erfüllen könnte. Sie ist der nächste große Schritt zur friedlichen Nutzung der bei der Kernverschmelzung freigesetzten Energie. Mit 500 Megawatt erzeugter Fusionsleistung soll ITER erstmals zeigen, daß sich ein energielieferndes Fusionsfeuer für längere Zeit unterhalten läßt.

Das Wasserstoffplasma muß bis zum Zünden der Fusionsreaktionen extrem hoch aufgeheizt werden. Etwa zur Hälfte geschieht das im ITER durch die „Neutralteilchen-Heizung“: Schnelle Wasserstoffatome, die in das Plasma eingeschossen werden, geben beim Zusammenstoß mit den Plasmateilchen ihre Energie ab. Heutige Anlagen erreichen auf diese Weise bereits ein Mehrfaches der Sonnentemperatur.

Um Wasserstoffatome mit solchen Heizapparaturen beschleunigen zu können, müssen sie zunächst als geladene Teilchen – als positive oder negative Ionen – für elektrische Kräfte angreifbar werden. In den bisherigen Heizanlagen werden ausschließlich positiv geladene Ionen genutzt. Das heißt, dem an sich neutralen Wasserstoffgas werden Elektronen entzogen, die so entstandenen positiv geladenen Wasserstoffionen werden abgesaugt und über elektromagnetische Impulse und Wanderfelder beschleunigt. Vor dem Einschießen in das Fusionsplasma muß der Ionenstrahl wieder neutralisiert werden, da die geladenen Teilchen die enormen Magnetfelder des Plasmakäfigs nicht passieren könnten. Die schnellen Ionen werden dazu durch neutrales Wasserstoffgas geschickt und nehmen dabei das jeweils fehlende Elektron wieder auf. Nun können sie als schnelle, aber neutrale Atome in das Plasma hineingelangen.

Im Inneren des Joint European Torus (JET): Rechts ist das Plasma sichtbar, in dem bei Temperaturen von über 100 Mio. Grad Celsius die Kernverschmelzung stattfindet. (Foto: (Foto: jet.efda.org)

Damit die Großanlage ITER wie gewünscht arbeiten kann, müssen die Teilchen drei- bis viermal schneller sein als bisher, um tief genug in das Plasma eindringen zu können. In Garching hat man daher mit negativ geladenen Ionen experimentiert. Denn positiv geladene Ionen, Wasserstoffatome ohne Elektron, lassen sich um so schlechter neutralisieren, je schneller sie sind. Bei ITER werden Geschwindigkeiten von 9 000 Kilometern pro Sekunde verlangt. Dabei gelingt die Neutralisierung dieser Ionen kaum mehr. Für ITER muß man daher zu positiv geladenen Ionen übergehen. Hierzu wird dem neutralen Wasserstoffatom ein weiteres Elektron hinzugefügt. Sie lassen sich dann bei hohen Geschwindigkeiten gut neutralisieren, sind allerdings wesentlich schwieriger zu handhaben als positive Ionen: Das zusätzliche Elektron, das für die negative Ladung der Partikel verantwortlich ist, ist nur locker gebunden und wird entsprechend leicht wieder verloren.

Die erforderlichen positiven Ionen werden mit sogenannten Hochfrequenz-Plasmaquellen erzeugt. Ausgehend von Vorarbeiten an der Universität Gießen wurde in Garching eine solche neuartige Ionenquelle entwickelt. Sie wird seit 1995 am IPP-Experiment ASDEX Upgrade betrieben, allerdings zur Erzeugung positiver Ionen.

Seit 2002 arbeiten Dr. Eckehart Speth und seine Mitarbeiter am IPP und Dr. Ursel Fantz mit ihren Leuten, Spezialisten für anspruchsvolle Diagnostikmethoden, an der Universität Augsburg am Umbau der Strahlquelle zur Erzeugung negativer Ionen.

Ihren Namen hat die neuartige Quelle von einer hochfrequenten Welle, die in das Wasserstoffgas eingestrahlt wird und dabei einen Teil der Wasserstoffatome ionisiert. Das entstehende kalte Plasma, eine Mischung neutraler Atome, negativer Elektronen und positiver Ionen, wird nun in die eigentliche Strahlquelle geleitet, auf deren Innenwände und auf eine erste, gitterförmige Elektrode. Ist deren Oberfläche mit geeignetem Material belegt, etwa mit Cäsium, dann können die Plasmateilchen Elektronen aufnehmen und die gewünschten negativen Wasserstoffionen entstehen. Nachdem die Wissenschaftler die komplizierte Dynamik der Verteilung auf den Wänden ergründet hatten, können sie nun in einem kleinen Ofen die ultradünne, etwa eine Atomlage starke Cäsium-Schicht auf entsprechende Geräteteile aufdampfen.

Das so veränderte Gas kann aus der Strahlquelle herausgelenkt werden. Das elektrische Feld eines zweiten Gitters erfaßt die gewünschten negativen Ionen, bündelt sie zu einem Strahl und beschleunigt sie mit Hilfe weiterer Elektrodengitter. Mit ihren bisherigen Ergebnissen konnte die Forschergruppe bereits Weltrekorde erzielen. Damit hat die Hochfrequenzquelle des IPP gute Chancen, bei ITER zum Zuge zu kommen.
Für eine endgültige Beurteilung muß die kleine Versuchsanlage auf die Größe gebracht werden, die für das ITER-Experiment erforderlich ist. Die Entscheidung über ihre Verwendung bei ITER wird Mitte 2007 fallen.