Bei der Kernfusion verschmelzen Wasserstoffatome zu Helium und setzen dabei riesige Energien frei. Um diese Verschmelzung in einem Fusionsreaktor in Gang zu bringen, muss jedoch zunächst ein Wasserstoff-Plasma auf über 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Erst durch diese Anschubenergie, ausgelöst beispielsweise durch das Einschießen schneller Wasserstoff-Teilchen in das Plasma, startet die Kernfusion. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) in Garching haben nun eine solche Heizung für die extremen Anforderungen des Testreaktors ITER weiter entwickelt. Dafür erhielten sie den diesjährigen Erwin Schrödinger-Preis 2006 der Helmholtz-Gemeinschaft.
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Die internationale Testanlage ITER, deren Bau in Cadarache/Südfrankreich kürzlich beschlossen wurde, bedeutet einen großen Schritt für die weltweite Fusionsforschung. Mit 500 Megawatt erzeugter Fusionsleistung soll ITER erstmals zeigen, dass ein Energie lieferndes Fusionsfeuer möglich ist. Ziel ist es, ein Kraftwerk zu entwickeln, das – ähnlich wie die Sonne – aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnt. Dazu muss der Brennstoff – ein dünnes ionisiertes Wasserstoffgas, ein "Plasma" – berührungsfrei in einem Magnetfeldkäfig eingeschlossen und bis zum Zünden der Fusionsreaktionen auf hohe Temperaturen aufgeheizt werden.
Neutralteilchen-Heizung
Etwa zur Hälfte soll das ITER-Plasma per "Neutralteilchen-Heizung" geheizt werden: Schnelle Wasserstoffatome, die in das Plasma eingeschossen werden, geben beim Zusammenstoßen mit den Plasmateilchen ihre Energie ab. Heutige Anlagen erreichen so auf Knopfdruck ein Mehrfaches der Sonnentemperatur. Um in diesen Heizapparaturen Wasserstoffatome beschleunigen zu können, müssen sie zunächst als geladene Teilchen – als positive oder negative Ionen – für elektrische Kräfte greifbar werden. In den bisherigen Heizanlagen werden ausschließlich positiv geladene Ionen genutzt: Neutralem Wasserstoffgas werden dazu die Elektronen entzogen, die positiv geladenen Wasserstoffionen werden abgesaugt und beschleunigt.
Negativ statt positiv
Doch dieses bewährte Verfahren lässt sich nicht ohne weiteres für ITER anwenden. Denn vor dem Einschießen in das Fusionsplasma muss der Ionenstrahl wieder neutralisiert werden. Doch unglücklicherweise lassen sich die positiven Teilchen umso schlechter neutralisieren, je schneller sie sind – bei den für ITER gewünschten Geschwindigkeiten von 9.000 Kilometern pro Sekunde fast gar nicht mehr. Für ITER muss man daher zu negativ geladenen Ionen übergehen, die auch bei hohen Geschwindigkeiten gut neutralisierbar sind. Sie lassen sich allerdings wesentlich schwieriger handhaben als positive Ionen: Das zusätzliche Elektron, das für die negative Ladung der Partikel verantwortlich ist, ist nur locker gebunden und entsprechend leicht wieder zu verlieren.
Hochfrequenz-Plasmaquellen besonders geeignet
Um die fragilen Objekte für ITER herzustellen, sind so genannte Hochfrequenz-Plasmaquellen besonders geeignet. Aufbauend auf Vorarbeiten an der Universität Gießen wurde die neuartige Ionenquelle im IPP entwickelt und ist seit 1995 am IPP-Experiment ASDEX Upgrade in Betrieb – allerdings für positive Ionen. Seit 2002 arbeiten Eckehart Speth und seine Mitarbeiter im IPP daran, die neue Strahlquelle für negative Ionen weiterzuentwickeln. Dies geschah gemeinsam mit der Universität Augsburg. Dort arbeitete Ursel Fantz zusammen mit ihren Mitarbeitern an anspruchsvollen Diagnostik- und Modellierungsmethoden für das gemeinsame Projekt.
Ihren Namen hat die neuartige Quelle von einer Hochfrequenzwelle, die in Wasserstoffgas eingestrahlt wird und dabei einen Teil der Wasserstoffatome ionisiert. Das entstehende kalte Plasma, eine Mischung neutraler Atome, negativer Elektronen und positiver Ionen, strömt in die eigentliche Strahlquelle, auf deren Innenwände und auf eine erste gitterförmige Elektrode. Ist deren Oberfläche mit geeignetem Material belegt, etwa mit Cäsium, dann können dort von den Plasmateilchen Elektronen aufgenommen werden – es entstehen die gewünschten negativen Wasserstoffionen. Nachdem die Wissenschaftler die komplizierte Dynamik der Cäsium-Verteilung auf den Wänden ergründet hatten, kann es hier mittlerweile kontinuierlich von einem kleinen Ofen als ultradünne, etwa eine Atomlage starke Schicht aufgedampft werden.
Die erzeugten negativen Ionen in der Nähe des Gitters können nun aus der Strahlquelle heraus gelenkt werden. Sie werden anschließend durch das elektrische Feld eines zweiten Gitters erfasst, zum Strahl gebündelt und mit einem dritten Gitter weiter beschleunigt. Mit den bisherigen Ergebnissen – teilweise Weltrekord – hat die Hochfrequenz- Quelle des IPP bereits gute Chancen, bei ITER zum Zuge zu kommen. Für eine endgültige Beurteilung muss noch die Übertragbarkeit der Technologie auf ITER-Größe gezeigt werden. Die Entscheidung über eine Verwendung bei ITER wird für Mitte 2007 erwartet. Aber auch auf anderen Gebieten könnte die neue Ionenquelle Anwendung finden, zum Beispiel in Beschleunigern oder zur Herstellung großflächiger Plasmen für die industrielle Nutzung.
Erwin Schrödinger-Preis 2006 verliehen
Für ihre Entdeckungen zeichnet die Helmholtz-Gemeinschaft Dr. Eckehart Speth, Dr. Hans-Dieter Falter, Dr. Peter Franzen, Dr. habil. Ursel Fantz und Dr. Werner Kraus, IPP, mit dem Erwin Schrödinger-Preis 2006 aus. Die mit 50.000 Euro dotierte Auszeichnung wird jährlich für herausragende interdisziplinäre Forschung vergeben. "Die von den diesjährigen Preisträgern entwickelte Quelle für negative Ionen kann die hohen, von ITER gestellten Forderungen im Wesentlichen erfüllen. Keine andere Ionenquelle weltweit kann mit ihrer Entwicklung konkurrieren. So hat das neue Konzept gute Chancen, 2007 für den Einsatz bei ITER ausgewählt zu werden. Dabei ist es den Preisträgern hervorragend gelungen, die Disziplinen Plasmachemie, Oberflächenphysik und Elektrotechnik zu verbinden und so einen wirklichen Durchbruch zu erreichen", erklärte Prof. Dr. Johanna Stachel vom Physikalischen Institut der Universität Heidelberg, Mitglied der Jury.
(idw – Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren, 26.07.2006 – AHE)
