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Spezielle Radiowellen haben erstmals Fusionsplasmastrom angetrieben
Dauerbetrieb statt kurzer Pulse: In Tokamak-Fusionsanlagen wird ein wichtiger Teil des Stroms im heißen Plasma herkömmlich über eine zeitlich begrenzt wirksame Transformatorspule erzeugt. Nun haben Physiker erstmals nachgewiesen, dass spezielle Radiowellen einen zusätzlichen Strom direkt im Plasmazentrum antreiben. Das könnte helfen, künftige Fusionsreaktoren länger zu betreiben, bedeutet aber noch keinen gelungenen Dauerbetrieb.
San Diego (U.S.A.). Ein Tokamak hält heißes Fusionsplasma mithilfe starker Magnetfelder in einer ringförmigen Kammer fest. Einen Teil dieses Magnetfelds erzeugt ein elektrischer Strom, der im Plasma selbst fließt. Üblicherweise wird dieser Strom von einer zentralen Magnetspule induziert, die wie ein Transformator wirkt.
Doch darin steckt ein Problem: Der Transformator kann nur dann Spannung erzeugen, wenn sich sein Magnetfluss verändert. Sobald die dafür verfügbare Spanne ausgeschöpft ist, muss der Strom anders aufrechterhalten oder die Plasmaentladung beendet werden. Deshalb suchen Physiker nach einem zusätzlichen Stromantrieb, der ohne fortlaufende Induktion auskommt.
Forscher von General Atomics (GA) um Jeff B. Lestz haben dafür am Forschungstokamak DIII-D in San Diego einen lange diskutierten Ansatz erprobt. Sie schickten sogenannte Helikonwellen, gezielt ausgerichtete Radiowellen, in das Plasma. Das Ziel: Die Wellen sollen Elektronen nicht nur aufheizen, sondern bevorzugt in eine Richtung beschleunigen und damit zusätzlichen elektrischen Strom erzeugen.
Dazu verwendete das Team eine Kammantenne aus 30 hintereinander angeordneten Elementen auf einer Länge von 1,5 Metern. Diese sendet elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von 476 Megahertz aus. Durch den zeitlich versetzten Betrieb ihrer Elemente breiten sich die Wellen bevorzugt in einer Richtung entlang des Plasmarings aus.
Elektronen, die sich entlang der Magnetfeldlinien etwa so schnell bewegen wie die Wellen, können Energie und Impuls von ihnen aufnehmen. Anders als manche bisher eingesetzten Wellenarten dürften Helikonwellen in besonders heißem und dichtem Fusionsplasma tiefer eindringen. Bislang fehlte jedoch ein eindeutiger experimenteller Nachweis, dass sie dort tatsächlich einen gerichteten Strom antreiben.
Um den Effekt von einer bloßen Erwärmung zu unterscheiden, verglichen die Forscher drei Arten von Plasmaentladungen: mit Helikonwellen, ohne diese Wellen und mit vergleichbarer zusätzlicher Heizung durch Elektronen-Zyklotron-Wellen. Bei den entscheidenden Versuchen koppelte die Antenne rund 370 Kilowatt Helikonleistung an das Plasma. Die Elektronentemperatur stieg dabei im Zentrum deutlich an.
Doch die Helikonwellen veränderten nicht nur die Temperatur. Auch das aus Magnetfeldmessungen rekonstruierte Stromprofil entwickelte sich schneller als in den Versuchen mit einer vergleichbaren reinen Heizung. Zudem begannen charakteristische Sägezahn-Schwankungen der Plasmatemperatur früher. Beides deutet nach den Analysen auf einen zusätzlich angetriebenen Strom im Plasmakern hin und lässt sich nicht allein durch die Erwärmung erklären.
Die Forscher ermittelten den Anteil der Helikonwellen, indem sie bekannte andere Stromquellen aus dem rekonstruierten Gesamtstrom herausrechneten. Für den innersten Bereich ergab sich ein Zusatzstrom von rund 20.000 Ampere mit einer Unsicherheit von etwa 10.000 Ampere. Die Modellrechnung sagte für denselben Bereich rund 21.000 Ampere voraus und stimmte damit gut mit dem Experiment überein.
Verglichen mit dem gesamten Plasmastrom von rund einer Million Ampere bleibt dieser Beitrag noch klein. Entscheidend ist aber seine Entstehung im heißen Zentrum. Dort sprechen die räumliche Verteilung des Zusatzstroms und die beobachteten Änderungen des Magnetfelds gemeinsam dafür, dass die Helikonwellen tatsächlich elektrische Ladung gerichtet transportieren helfen.