Extreme Bedingungen Temperatur von Plasma in einer Fusions-Testanlage messen

Ein Ladungsaustausch-Diagnostiksystem ermittelt die Zusammensetzung und Temperatur des Plasmas in einer Brennkammer der Fusionsexperiment-Testanlage ITER. Notwendige Informationen, um die Fusionsreaktion am Leben zu erhalten.

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Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius herrschen im ITER-Testreaktor, die derzeit in internationaler Zusammenarbeit im südfranzösischen Cadarache errichtet wird. Physiker und Ingenieure aus Jülich wollen jetzt die komplizierte Aufgabe realisieren, ein Messsystem für dieses Fusionsexperiment zu entwickeln. Das zu entwickelnde Ladungsaustausch-Diagnostiksystem soll helfen, die Zusammensetzung und Temperatur des Plasmas in der Brennkammer zu bestimmen. Und genau das ist die Schwierigkeit: Messergebnisse bei solchen extremen Bedingungen zu gewinnen ist schwierig.

Das zu konstruierende Diagnostiksystem soll in einem Port Plug, einem Einschub am oberen Rand der Brennkammer, untergebracht werden. Der Auftrag knüpft an eine mehrjährige Vorbereitungsphase an, die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und der europäischen Fusions-Organisation EFDA (European Fusion Development Agreement) gefördert wurde. Plasmastrahlung, Neutronenfluss und elektromagnetische Kräfte wirken auf die Komponenten ein. Hinzu kommt, dass die Wartung und Reparatur in der Regel nur über fernbedienbare Werkzeuge oder Roboter erfolgen kann.

Wenn Wasserstoff-Teilchen und Fusionsplasma kollidieren

Direktes Messen scheidet bei solch extremen Bedingungen aus. Zum Einsatz kommt die Ladungsaustausch-Spektroskopie. Eingeschlossen wird ein hochenergetischer Strahl aus neutralen Wasserstoff-Teilchen in das Plasma. Zusammenstöße mit Teilchen aus dem Fusionsplasma erzeugen sichtbares Licht. Dessen Wellenlänge und räumliche Ausbreitung lassen Rückschlüsse auf verschiedene Eigenschaften des Plasmas zu. Die Messungen liefern unerlässliche Informationen, um die Fusionsreaktion am Leben zu erhalten.

So wird unter anderem die Dichte des Heliums erfasst. Helium entsteht beim Fusionsvorgang und muss aus dem Brennraum abgeführt werden, damit das Fusionsfeuer nicht erlischt. Auch weitere wesentliche Größen wie Konzentration, Temperatur und Geschwindigkeit verschiedener Plasmakomponenten lassen sich mit dem Gerät ermitteln.

Das Design der CXRS-Diagnostik (Charge eXchange Recombination Spectroscopy) wird von Physikern und Ingenieuren des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung (IEK-4) koordiniert. An der Ausarbeitung sind das Jülicher Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA-1) sowie verschiedene europäische Partner beteiligt, zu denen unter anderem das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die technischen Universitäten in Budapest (BME) und Eindhoven (TU/e) sowie die Forschungszentren DIFFER und CCFE aus den Niederlanden und England gehören.

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