Tokamak

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Tokamak ist ein Konzept für einen Fusionsreaktor, bei dem das heiße Plasma in einem Torus von Magnetfeldspulen eingeschlossen wird.

Das Konzept wurde 1952 von den sowjetischen Physikern Andrei Sacharow und Igor Jewgenjewitsch Tamm am Kurtschatow-Institut^[1] in Moskau entwickelt. Bereits in den 1950ern wurden darauf die ersten Tokamak-Experimente in der Sowjetunion durchgeführt.

Das Wort ist eine Transliteration des russischen токамак, eine Abkürzung für „тороидальная камера в магнитных катушках“ ('tɔraidalʲnaia kamʲɛra v magnitnɨx katuʃkax), übersetzt Toroidale Kammer in Magnetspulen. Auch verweist die Silbe ток auf Strom und damit den Stromfluss im Torus, die wesentliche Eigenschaft eines Tokamak.

[Bearbeiten] Hintergrund

Siehe auch Hauptartikel Kernfusionsreaktor

Nach der erfolgreichen Entwicklung der zivilen Kernenergie-Nutzung Ende der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts sowie den wie geplant verlaufenen Testexplosionen von Wasserstoffbomben begannen Physiker in den 1950er Jahren, Möglichkeiten einer Energiegewinnung aus der kontrollierten Kernfusionsreaktion von Wasserstoff-Isotopen zu erforschen. Die Isotope müssen dazu ein extrem heißes und dichtes Plasma bilden, in dem ab einer bestimmten Temperatur und Teilchendichte (siehe Lawson-Kriterium) die Kernfusionsreaktion kettenreaktionsartig abläuft.

Beim Einschluss des heißen Plasma in ein klassisches Gefäß würde dieses einerseits durch die Hitze beschädigt, andererseits würde das Plasma schnell auskühlen und damit die Reaktion abbrechen. Um einen Abstand von der Gefäßwand herzustellen, ist die Lorentzkraft geeignet, mit der durch elektromagnetische Felder eine Kraft auf bewegte, geladene Teilchen ausgeübt werden kann (siehe auch Fusion mittels magnetischen Einschlusses).

[Bearbeiten] Konzept

Tokamak-Felder

Zur Umsetzung dieses Ansatzes schlugen Sacharow und Tamm einen Torus-förmigen Fusionsreaktor vor, dessen Ring von Feldspulen umschlossen ist, deren "toroidales" Magnetfeld das im Torus rotierende Plasma eingeschlossen hält (siehe erste Abbildung oben).

Es wurde jedoch auch schon in der Theorie ein Problem erkannt, das sich aus der Magnetohydrodynamik des Plasmas ergibt, wonach die im inneren Bereich des Torus rotierenden Teilchen mit denen des äußeren Bereichs Verwirbelungen bilden. Um dies zu vermeiden, müssen die Teilchenbahnen zusätzlich eine Drehung innerhalb des Torus-Querschnitts durchführen, die magnetischen Feldlinien also spiralförmig verlaufen.

Diese Verdrillung der Magnetfeldlinien wird beim Tokamak nun erreicht, indem im Plasma selbst ein elektrischer Strom induziert wird. Das Plasma ist leitfähig und kann als Sekundärwicklung eines Transformators wirken. Als Primärwicklung wirkt eine zentrale "Poloidal"-Feldspule in Torus-Zentrum, ergänzt durch weitere, koaxial mit dem Torus gelegene Ringspulen. Der induzierte Strom erzeugt im Plasma ein poloidales Magnetfeld (siehe mittlere Grafik). Dieses überlagert sich dem toroidalen Feld, so dass sich der gewünschte spiralförmige Feldverlauf ergibt (untere Grafik).

Da man den Primärstrom des Transformators jedoch nicht ständig steigern kann, der Transformatorhub also begrenzt ist, muss dieser von Zeit zu Zeit abgeschaltet werden. Während dieser Pause geht der Plasmaeinschluss verloren, die Kernfusion setzt aus und muss danach neu "gezündet" werden. Ein Tokamakreaktor arbeitet also nicht kontinuierlich, sondern gepulst.

Für eine wirtschaftliche Netto-Energiegewinnung müssen die Magnetspulen eines Fusionsreaktors aus Supraleitern bestehen, damit ihr elektrischer Energieverbrauch gering bleibt.

[Bearbeiten] Aufheizen des Plasmas

Im Fusionsreaktor wird ein Teil der gewonnenen Energie dazu dienen, die Plasmatemperatur beizubehalten und so die Reaktion am "Brennen" zu halten (Kettenreaktion). Für jeden neuen Puls (s. o.) muss jedoch das Plasma zunächst auf andere Weise auf über 10 keV (über 100 Millionen °C) aufgeheizt werden.

[Bearbeiten] Ohmsche Heizung

Der im Plasma induzierte elektrische Strom, der das Kennzeichen des Tokamak-Konzepts ist, bewirkt zwangsläufig auch eine Erwärmung des Plasmas, die Ohmsche (oder Widerstands-) Heizung. Dabei handelt es sich um die gleiche Art von Aufheizung wie beim Glühdraht einer Glühbirne oder einer Elektroheizung (Föhn, Heizlüfter etc.). Die Wärmeleistung hängt vom Widerstand des Plasmas und der Spannung ab. Da die Temperatur steigt, nimmt der elektrische Widerstand des Plasmas ab, und die Ohmsche Heizung wird weniger effektiv. Die durch Ohmsche Heizung erreichbare Maximaltemperatur in einem Tokamak scheint bei etwa 20 - 30 Millionen °C zu liegen. Um höhere Temperaturen zu erreichen, müssen andere Heizverfahren angewandt werden.

[Bearbeiten] Neutralteilcheninjektion

Neutralteilcheninjektion bedeutet den Einschuss schneller Atome in das durch Ohmsche Heizung aufgeheizte, magnetisch eingeschlossene Plasma. Auf ihrem Weg durch das Plasma werden die Atome ionisiert und deshalb vom Magnetfeld gefangen. Dann übertragen sie einen Teil ihrer Energie auf die Plasmateilchen, indem sie wiederholt mit ihnen zusammenstoßen und so die Plasmatemperatur erhöhen.

[Bearbeiten] Magnetische Kompression

Gase können durch plötzliche Erhöhung des Drucks aufgeheizt werden. Auf dieselbe Weise erhöht sich die Temperatur eines Plasmas, wenn das einschließende Magnetfeld stärker wird. In einem Tokamak wird diese Kompression erreicht, indem das Plasma in eine Zone höherer magnetischer Feldstärke verschoben wird (z. B. nach innen). Da Plasmakompression die Ionen einander annähert, hat das Verfahren zusätzlich den Vorteil, dass es die Erzielung der für die Fusion erforderlichen Dichte erleichtert.

[Bearbeiten] Mikrowellenheizung

Hochfrequente elektromagnetische Wellen von geeigneter Frequenz und Polarisation werden durch Oszillatoren (Gyrotrons oder Klystrons) außerhalb des Torus erzeugt. Ihre Energie kann auf die geladenen Teilchen im Plasma übertragen werden, welche wiederum mit anderen Teilchen im Plasma kollidieren und so die Temperatur erhöhen. Es gibt verschiedene Methoden, je nachdem die Energie zunächst auf die Elektronen oder die Ionen des Plasmas übertragen wird.

[Bearbeiten] Alternativkonzept Stellarator

Die andere Möglichkeit, auf Basis der Torusform die spiralförmige Verdrillung der Magnetfeldlinien herbei zu führen, wird im Stellarator genutzt. Hier werden Torus und Magnetfeldspulen selbst bereits so verdrillt, anschaulich in Form eines Möbiusbandes, dass auch der poloidale (im Querschnitt des Ringes wirksame) Anteil des Feldes durch die Spulen erzeugt wird, anstatt durch einen im Plasma induzierten Strom wie beim Tokamak.

Ein Stellarator erlaubt damit den Verzicht auf den Erregerstrom und im Unterschied zum gepulsten Betrieb eines Tokamaks einen Dauerstrich-Betrieb, bedingt aber höheren Aufwand bei Konstruktion und Fertigung des Rings. Die optimale Spulengeometrie ist kompliziert und konnte erst in jüngerer Zeit dank leistungsfähiger Computerprogramme hinreichend genau entwickelt sowie fertigungstechnisch umgesetzt werden.

Mit dem Wendelstein 7-X wird im nordostdeutschen Greifswald aktuell erstmals ein großer Stellarator aufgebaut, um diese Technik bis zur großtechnischen Anwendung weiter zu entwickeln. Die Heizung des Plasmas erfolgt hier durch Mikrowellen.

[Bearbeiten] Aktuelle Forschung

Mit Tokamaks konnte bereits vielfach eine kettenreaktionsartig ablaufende Kernfusion erreicht werden, jedoch ist es bisher nicht gelungen und war auch konstruktiv nicht vorgesehen, dabei mehr Energie zu erzeugen, als eingesetzt wurde. Hierzu sind größere Dimensionen erforderlich und es müssen weitere technische Fragen gelöst werden, darunter die laufende Zufuhr neuen Brennstoffs und die Abführung der "verbrannten" Fusionsprodukte, die dauerhafte Kühlung der supraleitenden Spulen oder die intermittierenden Zündungen.

Der bis jetzt größte Tokamak ist der Joint European Torus (JET) in Culham nahe Oxford, Großbritannien. 2005 wurde mit ITER der Bau der nächst größeren Tokamakanlage im südfranzösischen Cadarache beschlossen. Diese soll erstmals Netto-Energiegewinn demonstrieren, aber noch keine elektrische Energie produzieren. Das erste vollständige Fusionskraftwerk wird nach jetzigen Planungen die Nachfolgeanlage DEMO sein.

In Deutschland wird zurzeit an zwei großen Tokamaks geforscht: ASDEX Upgrade am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching bei München und TEXTOR am Forschungszentrum Jülich.