Dynamik und Steuerung brennender Plasmen

Die technische Nutzung der Kernfusion stellt eine wichtige Energieoption für das kommende Jahrtausend dar. Wie im Inneren der Sonne werden Wasserstoffisotope zum Verschmelzen gebracht, wobei Energie freigesetzt wird. Damit derartige Verschmelzungen möglich sind, muß das aus den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium bestehende Gas so erhitzt werden, daß es in den vierten Aggregatzustand, den Plasmazustand, übergeht. Während des letzten Jahrzehntes wurden bei Experimenten in Europa, Japan und den USA bereits beträchtliche Ausbeuten an Fusionsenergie erzielt, eine Leistungsverstärkung ist jedoch erst mit den Fusionsmaschinen der nächsten Generation möglich, deren Entwurf und Errichtung das größte technische Projekt der EU darstellt, das gemeinsam mit Japan unmittelbar nach der Jahrtausend-wende realisiert werden soll. Auf Grund der komplexen Physik der Plasmen sind möglichst realistische numerische Simulationen erforderlich, deren Ergebnisse die Konstruktion beeinflussen und Voraussetzung für erfolgreiche Experimente sind. Von besonderer Bedeutung sind Steuerungs- und Regelmechanismen, die das Plasma zu den erforderlichen hohen Betriebsdichten und Temperaturen führen und bei Erreichen der gewünschten Leistungsverstärkung einen stationären Betrieb einleiten. Das vorliegende Projekt, das eine Kooperation des französischen Forschungszentrums Cadarache (CEA), das Instituts für Plasmaphysik in München (IPP) und des Österreichischen Forschungszentrums Seibersdorf darstellt, befaßt sich mit möglichen Strategien dazu. Eine Verbesserung der Modellierung der Brennstoffzufuhr (Deuterium und Tritium), die durch Einblasen von Gas oder durch Einschuß gefrorener Kügelchen (Pellets) erfolgt, ist das Hauptanliegen des Projektes. Dabei spielt auch die Untersuchung des Verhaltens des Heliums, das bei der Kernverschmelzung quasi als Asche entsteht eine bedeutsame Rolle. Es muß geklärt werden, ob die Asche in ausreichendem Ausmaß aus dem Plasma ausfließt beziehungsweise abgepumpt werden kann, widrigenfalls das Plasma in schwer steuerbare Schwingungen fällt oder erstickt.

Das gegenständliche Projekt, das im Rahmen der Fusionsforschung der EU durchgeführt und vom FWF kofinanziert wurde, befasst sich mit der numerischen Simulation von Fusions-plasmen mit hoher Leistungsverstärkung, wie dies für die Fusionsmaschinen der nächsten Generation (ITER-FEAT-Projekt) vorgesehen ist. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf Langzeitszenarien, wo die Plasmen auf die No-minalleistung hochgeheizt und in diesem Zustand über hunderte beziehungsweise tausende Sekunden gehalten werden. Diese Möglichkeit eröffnet sich seit kurzem durch die Entde-ckung eines neuen Plasma-Regimes bei dem durch ein spezielles Profil des Plasmastromes der Energie und Teilcheneinschluss (Interne Transport Barriere) entscheidend verbessert werden konnte. Es erfordert spezieller Steuerungsmaßnahmen, um das Stromprofil und die Leistung in einem stationären Zustand zu halten. Durch die Transportbarriere verbessert sich allerdings nicht nur der Einschluss der Brenn-stoffisotope (Deuterium und Tritium), sondern auch der Einschluss der Verunreinigungen, insbesondere des Heliums, das bei der Fusionsreaktion entsteht. Da es sich um eine Art Verbrennungsrückstand handelt, spricht man auch von Heliumasche. Es ist nachzuweisen, dass die Interne Transportbarriere nicht zu einer zu starken Akkumulation der Heliumasche führt, was den Betrieb eines Fusionsreaktors sehr erschweren könnte. Im vorliegenden Pro-jekt wurde in einen bestehendes Plasma-Simulationsprogramm ein Modell für die Diffusion der Heliumasche in den international verwendeten Plasma -Simulationscode ASTRA einge-baut. Es wurde die Akkumulation der Heliumasche sowie die zur Erreichung der Nominalfusions-leistung erforderliche Hilfsheizung ermittelt. Der nicht sehr gut bekannte Rezyklierungsfaktor des Heliums an der Plasmawand stellt einen wichtigen Parameter dar, den es noch experi-mentell zu untermauern gilt. Ähnliches gilt auch für Randbedingungen und offene Faktoren in den Diffusionsmodellen. Die Resultate zeigen jedoch, dass unter plausiblen Annahmen die durch die Interne Transportbarriere verursachte Heliumakkumulation zu keinen wesentlichen Schwierigkeiten im Reaktorbetrieb führen wird. Die Versorgung des Plasmas mit Brennstoff, die gleichzeitig zur Leistungssteuerung dient, kann durch Einschuss von gefrorenen Deuterium-Tritium-Kugeln erfolgen, die sich in Bruch-teilen von Sekunden im Plasma auflösen und in Plasma übergehen. Solche Kugeln, deren Durchmesser einige Millimeter beträgt, werden als Pellets bezeichnet. Es wurde ein im For-schungszentrum Cadarache entwickeltes Pellet-Simulationsprogramm mit einem Plasma-Simulationscode kombiniert und für die oben erwähnten Langzeitszenarien herangezogen. Unter anderem konnte gezeigt werden, dass die Einschussfrequenz zur Steuerung der Dich-te bzw. der Leistung herangezogen werden kann. Weiters wurde untersucht unter welchen Umständen die erforderliche Eindringtiefe der Pellets in das Plasma mit der gegenwärtig ver-fügbaren Technologie möglich ist.