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Verantwortlich: Prof. U. Samm, IPP, u.samm@fz-juelich.de

Aufgaben und Ziele

Das Vorhaben beteiligt sich im Rahmen der Europäischen Fusionsforschung an der Weiterentwicklung von magnetischen Einschlusskonzepten zur Erschließung der Kernfusion als neue Primärenergiequelle. Das zentrale Experimentiergerät ist der Tokamak TEXTOR, welcher zusammen mit den Partnern des Trilateral Euregio Cluster betrieben wird. Mit seiner flexiblen Instrumentierung ist TEXTOR ausgerichtet auf die Untersuchung grundlegender Prozesse in Fusionsplasmen. Wesentliches Ziel für 2003 war die Inbetriebnahme des neu installierten Dynamischen Ergodischen Divertors (DED). Dieses neuartige Experiment dient u. a. der Verbesserung der Wärmelastverteilung auf der Wand des Plasmagefäßes und der Kontrolle von Plasmaeinschluss und Stabilität. Weitere Arbeitsschwerpunkte sind Beteiligungen am wissenschaftlichen Programm des europäischen Fusionsexperiments JET, am Aufbau und der späteren Nutzung des Stellarators Wendelstein 7-X und der Planung des nächsten Tokamakexperiments ITER, das erstmalig ein brennendes Fusionsplasma verwirklichen soll.

Wesentliche Ergebnisse im Jahr 2003

Der DED wurde im Gleichstrombetrieb mit Strömen von bis zu 7 kA und im dynamischen Betrieb mit rotierenden Magnetfeldern mit einer Frequenz von bis zu 7 kHz erfolgreich in Betrieb genommen. Damit steht nun ein neues und weltweit einzigartiges Instrument zur dynamischen Beeinflussung der Magnetfeldtopologie (Ergodisierung) mittels externer Spulen zur Verfügung und es eröffnen sich zusammen mit speziellen Messmethoden an TEXTOR neue Möglichkeiten für grundlegende Untersuchungen zur weiteren Optimierung des Wärme- und Teilchentransports und der Stabilität des magnetischen Einschlusses. Die Relevanz solcher ergodischer Strukturen zeigte sich im Berichtsjahr auch in gemeinsamen Experimenten am US-amerikanischen Tokamakexperiment DIII-D, wo bereits durch statische Ergodisierung in einer Betriebsart, wie sie auch für ITER vorgesehen ist, negative Effekte durch Randschichtinstabilitäten (so genannte ELMs) erheblich reduziert werden konnten. Nun gilt es, die zugrunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen und damit zur Verbesserung des zukünftigen Betriebs von ITER beizutragen.

Die Inbetriebnahme der Plasmadiagnostik nahm im Berichtsjahr noch großen Raum ein. Erste Messungen mit dem DED bestätigen die Vorhersagen der durch die Magnetfeldstörung hervorgerufenen Verteilung der Wärmebelastung auf den Wandelementen. Neben der erwarteten Verschmierung und der damit verbundenen Reduzierung der Wärmebelastung konnten vielfältige - aber noch nicht verstandene - Änderungen der magneto-hydrodynamischen Eigenschaften des Plasmas beobachtet werden. Die Entwicklung eines drei-dimensionalen Monte Carlo-Flüssigkeitsmodels zur Beschreibung des Plasmatransports in der komplexen Magnetfeldgeometrie des DED wurde fertig gestellt. In Zusammenarbeit mit einer Arbeitsgruppe an der Universität Marseille und dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik wurden erste Versuche unternommen, die Effekte des DED in Modelle der Plasmaturbulenz einzuarbeiten.

Zur Weiterentwicklung des ITER-Referenz-Szenarios (die so genannte H-Mode) wurden umfassende Arbeiten an JET durchgeführt. Im Bereich der Plasmastabilität wurden wichtige Beiträge zur Kontrolle so genannter neoklassischer Tearing-Moden geliefert, die in ITER zur unerwünschten Verschlechterung des Einschlusses führen würden. Untersuchungen des ELM-Verhaltens zeigten neue Eigenschaften, die nicht mit den bisherigen Erklärungen des ELM-Zyklus übereinstimmen. Aufbauend auf TEXTOR-Ergebnissen wurde eine neuartige Regelung an JET entwickelt, mit deren Hilfe Entladungen bei hohen Plasmadichten quasi-stationär aufrecht erhalten werden konnten. Mit Hilfe theoretischer Untersuchungen dieser Plasmabedingungen (mit dem RITM-Code) und durch den Vergleich von experimentellen Ergebnissen an JET und TEXTOR konnte erklärt werden, warum die Zufuhr geringer Verunreinigungsmengen den Energieeinschluss im Plasma in einem Fall verbessert (TEXTOR) und im anderen Fall nur sehr geringe Effekte zeigt (JET).

Um für die verschiedenen Materialen, die im direkten Kontakt zum Plasma stehen, eine ausreichende Lebensdauer für deren Einsatz in ITER und einem späteren Fusionsreaktor zu erreichen, sind vielfältige Untersuchungen der Plasma-Wand-Wechselwirkung notwendig. In JET und TEXTOR wurden dazu in-situ-Untersuchungen der Kohlenstofferosion und Redeposition vorgenommen. Bei der Interpretation der Daten spielen numerische Modelle (z.B. der ERO-Code) eine wesentliche Rolle. Die beobachteten Kohlenstoffbilanzen können nur verstanden werden, wenn eine unerwartet hohe (und bis heute noch nicht erklärte) Erosion der frisch deponierten Schichten angenommen wird. Die Überprüfung und Verbesserung der Beschreibung atomarer und molekularer Prozesse spielt eine wichtige Rolle.

Ein bedeutender Spin-off ergibt sich aus der Zusammenarbeit mit der Universität Düsseldorf und der Firma Philips Lightning, wo die physikalische Ähnlichkeit der Plasmen in der ITER-Randschicht und von Gasentladungslampen ausgenutzt wird. Messungen an den Gasentladungslampen dienen der Überprüfung bestimmter Aspekte des in Jülich entwickelten Monte-Carlo-Codes EIRENE, der dann zur Beschreibung von Teilen des ITER Randschichtplasmas herangezogen wird.

Ein weiterer Schwerpunkt des Vorhabens ist die Entwicklung von Diagnostiken, die vor allem für den späteren Einsatz an Wendelstein 7-X oder ITER von Interesse sind. Herauszustellen sind Weiterentwicklungen in der Vakuum-UV-Spektroskopie, der Ladungsaustausch-Spektroskopie und der Motional-Stark-Effect-Diagnostik. Der Aufbau kombinierter Elektronen-Zyklotron-Emission-Imaging- und Mikrowellen-Imaging-Reflectometer-Systeme konnte abgeschlossen werden. Ein neues 140 GHz-Zyklotron mit einer Pulslänge von 3 s und einer Leistung von 800 kW zur Heizung der Plasmaelektronen wurde erfolgreich in Betrieb genommen und bereichert damit die Heizverfahren an TEXTOR durch ein neues flexibles Instrument.

Die Elektronenstrahlanlage JUDITH, welche thermische Belastungen bis zu 20 MW/m2 erzeugen kann, wurde zur Charakterisierung von Materialien für deren späteren Einsatz in Fusionsanlagen wie Wendelstein 7-X oder ITER eingesetzt. Verschiedene Tests umfassen die Untersuchung des thermischen Ausdehnungsverhaltens zusammengesetzter Materialien, der Stauberzeugung bei sehr hohen transienten Wärmebelastungen, der Neutronen-induzierten Verschlechterung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und verschiedener Targetausführungen, nachdem sie mit Neutronenfluenzen von bis zu 1 dpa bestrahlt wurden.

Das Vorhaben hat umfassende Arbeitspakete zum Aufbau des Stellarators Wendelstein 7-X begonnen. Dazu gehören neben der Diagnostikentwicklung Arbeiten zur Auslegung und Fertigung von Komponenten der supraleitenden Spulen, der Zuführungen und elektrischen Verbindungen sowie unterstützende Arbeiten in der Schweißtechnik.