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Fusion an der Uni

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Plasmen im Mittelpunkt
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Ich werde heute das Experiment vorstellen, mit dem ich mich im Rahmen meiner Promotion beschäftige. Das Experiment hört auf den Namen TJ-K und befindet sich am Institut für Plasmaforschung, welches zur Uni Stuttgart gehört. Das Photo vermittelt einen Größeneindruck sowie die Form des Experiments. Die Form bzw. der Aufbau ist typisch für Fusionsexperimente: ein torus-/donatförmiges Vakuumgefäß, mehr oder weniger kompliziert geformte Magnetfeldspulen und eine Fülle von Diagnostiken, damit dem Doktoranden nicht langweilig wird.

Stellarator TJ-K
Stellarator TJ-K an der Uni Stuttgart; Bild: Alf Köhn, CC BY-SA

Das Magnetfeld ist notwendig, um das Plasma von der Wand fernzuhalten. Man will schließlich keine Teilchen aus dem Plasma verlieren und die Wand auch nicht unnötig belasten. Die Wandbelastung stellt allerdings in unserem Experiment, also in TJ-K, noch kein ernsthaftes Problem dar. Unsere Plasmen erreichen schließlich nur Temperaturen von 100.000 K bis 200.000 K – oder auch °C, der Unterschied fällt hier nicht wirklich ins Gewicht – und keine 100.000.000 K, wie man sie an den weltweit größten Experimenten hat. Temperaturen werden in der Plasmaphysik meistens in Elektronenvolt (eV) angegeben, ein Vorteil sind die handlicheren Zahlen: 10 bis 20 eV ist also das Plasma bei uns warm. Von diesen hohen Temperaturen sollte man sich jedoch nicht täuschen lassen, Experimente werden bei Drücken im mPa Bereich betrieben und die Plasmadichte erreicht in TJ-K Werte von 1018 Teilchen pro Kubikmeter. Das ermöglicht es uns, Sonden in das Plasma hineinzustecken, ohne dass diese dabei Schaden nehmen.

Das Besondere an TJ-K ist nun, dass einige dimensionslose Parameter unserer Plasmen denen im Randbereich von Fusionsplasmen sehr ähnlich sind. Im Gegensatz zu Fusionsplasmen können wir jedoch Sonden über den ganzen Plasmaquerschnitt positionieren. Außerdem können wir sehr lange Plasmaentladungen betreiben. Die großen Fusionsexperimente können meist nur wenige Sekunden betrieben werden, wohingegen wir unsere Entladungen beinahe 1 Stunde lang stationär betreiben können, bevor die Magnetfeldspulen zu heiß werden. Lange Entladungszeiten bedeuten lange Messreihen, was wiederum sehr gut Statistik bedeutet. Daher kann man TJ-K quasi als eine Art Windtunnel-Experiment verstehen. Die Größe, die hier hochskaliert wird, ist die Turbulenz, welche in dem Randbereich der Fusionsplasmen zu großen Problemen führen kann.

Ich beschäftige mich nur am Rande mit der Turbulenz, mein Anliegen ist es, die Heizung und Entstehung des Plasmas zu verstehen. Erzeugt wird unser Plasmen mit Mikrowellen und ich führe sowohl numerische als auch experimentelle Studien durch. Gerade an der Simulation der Mikrowellenwechselwirkung mit dem Plasma zeigen sich immer wieder viele ausländische Kollegen interessiert, was mir schon ein paar interessante Kontakte und Kollaborationen eingebracht hat.

Eine weitere Besonderheit an TJ-K ist die Tatsache, dass es sich an einer Universität befindet. Die meisten fusionsrelevanten Experimente können von Universitäten nicht finanziert werden und befinden sich daher beispielsweise am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik. Aufgrund des genannten Windtunnel-Charakters kann unser Experiment jedoch auch als fusionsrelevant eingestuft und an einer Universität betrieben werden. Die sehr guten Zugangsmöglichkeiten zum Plasma und die daraus resultierende Diagnostikvielfalt qualifiziert TJ-K hervorragend als Ausbildungsexperiment mit Forschungbetrieb.

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Veröffentlicht von

Alf Köhn-Seemann hat in Kiel Physik studiert und in Stuttgart über Mikrowellenheizung von Plasmen promoviert. Von 2010 bis 2015 war er dort als Post-Doc tätig. Nach mehreren Forschungsaufenthalten im englisch-sprachigen Raum, arbeitet er von 2015 bis Ende 2017 am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching. Seit Ende 2017 forscht und lehrt Alf Köhn-Seemann wieder an der Uni Stuttgart.

32 Kommentare

  1. Das ist ja hautnah an der Forschung dran, so wie bei der Mierk im Blog. Der Bericht gefällt mir.

    Ich überlege mir gerade wie ich dieses “torus-/donatförmiges Vakuumgefäß” noch kleiner bekomme, damit es unter die Motorhaube paßt. Ich habe kein Bock mehr auf Tankstelle. 😉

  3. Sonden?

    Äh — ich bin von keinerlei physikalischer Ahnung beleckt, aber es täte mich schon interessieren, aus welchen Materialien die “Sonden” sind, die eine Temperatur von mehr als hunderttausend Grad aushalten.

  4. Fusor

    @Karl
    Der Fusor, den Sie erwähnen, wird meines Wissens nach von keinem großen Forschungsinstitut noch untersucht.
    Die amerikanische Regierung hat wohl bis vor einigen Jahren noch Gelder in diese Forschung gesteckt. In der Fusionscommunity ist man sich allerdings einig, dass der elektrostatische Trägheitseinschluss nicht funktioniert. Dass in der Mitte des Fusors auch tatsächlich Fusion stattfinden kann bestreite ich nicht, allerdings scheinen mir die entsprechenden Fusionsraten viel zu gering zu sein.

  5. Alf Köhn

    @Helmut
    gute Frage. Die direkte Antwort ist, dass die Sonden aus kleinen Keramik-Röhrchen bestehen (wenige Millimeter Durchmesser), in deren innerem sich ein Wolframdraht befindet. Wenige Millimeter des Drahtes schauen dabei vorne aus dem Keramikröhrchen heraus. So kann man dann z.B. messen wieviel Strom auf diese Drahtspitze fließen, um daraus etwas über die Eigenschaften des Plasmas zu lernen.
    Jetzt kommt aber das eigentlich entscheidene: aufgrund der geringen Dichte treffen nur sehr wenige Teilchen pro Zeiteinheit auf die Sonde, daher ist die Belastung für diese nicht sehr groß.

    Motiviert durch Ihre Frage, werde ich mal versuchen einen Artikel über die Vielzahl von Sonden im Plasmen zu schreiben, da gibt es nämlich einige interessante Exemplare…

  6. @ Alf

    Ach so .. ich glaub’, ich habe die falsche Vorstellung von einem “Plasma”. Ich dacht’ da immer an sowas wie den Lichtbogen, den ich mit’m Schweissgerät produziere.

    Kann man so ein “Plasma” angucken? Was hat das für eine Farbe? Und was für eine “Textur”? Ist es einfach nur ein Gas? Und wie “benimmt” es sich? Ist es statisch oder flackert es im Magnetfeld herum?

    Sorry, lauter blöde Fragen eines Augenmenschen..

  7. Erscheinungsformen

    @Helmut:
    Nein, Ihre Vorstellung von einem Plasma ist nicht falsch, nur etwas eingeengt, wenn Sie mir den Begriff erlauben 🙂
    Plasmen erschließen sich in einem unheimlich weitem Parameterbereich, ich denke es ist wohl sinnvoll, wenn ich da bei Gelegenheit mal etwas zu schreibe.
    Angucken kann man die Plasmen in bestimmten Parameterbereichen, also bei bestimmten Temperaturen und Dichten, dann leuchtet es, da es ein ionisiertes Gas darstellt. Die Leuchtfarbe hängt dann unteranderem von dem Gas ab. Ob ein flackern erkennbar ist, hängt dann von der Art der Anregung, also der Art der Energiezufuhr an das Plasma ab und fluktuieren tut es obendrein auch noch, wobei man die Fluktuationen nicht unbedingt alle mit dem bloßen Auge beobachten kann.
    Sie sehen, ich kann Ihnen da keine einfache Antwort geben und verweise damit schonmal auf einen der nächsten Artikel 😉

  8. Bilder von Niederdruckplasmen:

    Bilder von Niederdruckplasmen,
    fälschlich als “Neonröhren” bezeichnet,
    die Farben der Edelgase:

    http://de.wikipedia.org/…Leuchtr%C3%B6hre#Farben

    Mein persönlicher Favorit ist das M2P2-Triebwerk:

    http://www-users.rwth-aachen.de/…hnik041000.html

    http://science.nasa.gov/…lines/prop19aug99_1.htm

    Es geht aber auch noch viel heißer,
    Project Orion:

    http://de.wikipedia.org/wiki/Orion-Projekt

    http://www.youtube.com/watch?v=avsbVBy-shc

  11. @ Bednarik

    Danke.

    Meine Fresse…da gab’s ja was zu gucken.

    Ich bleib’ bei meinem Lichtbogen aus’m Schweissgerät. Damit richte ich schon (mitunter) genügend Unheil an.

  12. Vierter Beitrag, dritter Nachtrag:

    Vierter Beitrag, dritter Nachtrag:

    Hallo Helmut Wicht,

    es freut mich,
    daß ich mindestens einen Leser habe.

    Bild, Tesla-Plasma von Argon,
    violette Wände auf englisch:

    http://de.wikipedia.org/…imestamp=20070118035149

    Echt antiker Tesla-Transformator:

    http://de.wikipedia.org/…imestamp=20070118040047

    Nicht völlig jugendfrei,
    umbringen ist in Ordnung,
    Sex ist nicht in Ordnung:

    http://de.wikipedia.org/wiki/Violet_Wand

  14. Meine vierte und fünfte Frage:

    Meine vierte und fünfte Frage:

    Wird die z-Pinch-Fusion noch weiter untersucht?

    Das ist genau das, was Graf Frederik von Hombug und Fürst Klaus von Irrwitz Spaß machen würde.

    Gigantische Kondensatoren,
    gigantische Hochspannungen,
    ultrakurze Entladungszeiten,
    und ein winziger Zylinder aus Wolframfäden,
    der sich in Plasma verwandelt,
    da fallen die Fernseher auf den benachbarten Kontinenten aus.

    http://en.wikipedia.org/wiki/Z_machine

    Wird die Trägheits-Einschluß-Fusion noch weiter untersucht?

    Mit Photonen oder Teilchenstrahlen:

    http://de.wikipedia.org/…r%C3%A4gheitseinschluss

  15. Fragen

    @Karl
    also, das sind ja eine ganze Reihe Fragen, mit einer solche Resonanz bei meinem ersten Eintrag hatte ich gar nicht gerechnet 🙂 Dann will ich mich mal am Antworten versuchen.
    Zunächst einmal finde ich es ungewöhnlich, dass Wort “Wasserstoffbombe” und das Wort “neutral” in einem Satz zu sagen. Ansonsten möchte ich allerdings – nur zur Sicherheit – klarstellen, dass die Zarenbombe und das Atombombengetriebene Raumschiff in ihrer Gesamtbilanz alles andere als CO2-neutral sind.
    Die Fragen:
    2) Mittels der Myonen-katalysierten Fusion ist es nicht möglich einen Gesamtenergiegewinn zu erzielen. Dass lässt sich durch theoretische Rechnungen zeigen, daher wird hier auch nicht weiter geforscht, soweit ich weiss.
    3) Diese spezielle Experiment wird nicht mehr betrieben, glaube ich. Diese Art von Experiment gibt es aber wohl schon noch (“Gamma 10” in Japan).
    4) Die Z-machine ist wohl in der Tat ein recht beeindruckendes Experiment, allerdings geht es hier um militärische Forschungen, da erhält man nur schwer einen detaillierten Einblick. Aber, ja, betrieben wird es aktuell.
    5) Trägheitseinschluss wird untersucht, bspw. an NIF (USA) oder LMJ (Frankreich), aber auch hier handelt es sich um militärische Forschungseinrichtungen, bei denen man viel über die eigentliche Motivation spekulieren kann.

  16. Tokamak oder Stellarator?

    Hallo Alf Köhn,
    danke für die Antworten.

    Wie wir beide befürchtet haben, kommen nun meine nächsten Fragen:

    Ist das Experiment TJ-K vom Typ eines Tokamaks oder eines Stellarators?

    Beim Stellarator wäre theoretisch ein Dauerbetrieb möglich.

    Kann man abschätzen, welcher der beiden Typen die besseren Zukunfts-Aussichten hat?

    Bild, ITER, Tokamak:

    http://ec.europa.eu/…nik/images/dossier/iter.jpg

    Bild, Wendelstein 7-X, Stellarator:

    http://www.mpg.de/…rschungsSchwerpunkt2/Web.jpeg

    Mit freundlichen Grüßen,
    Karl Bednarik.

    P. S.:
    Admiral Graf Frederik von Hombug jagt eben gerne Dinge in die Luft, deshalb wurde er ja Admiral.

    Operation Magix,
    mit Umrechnungstabelle von Antimaterie in Megatonnen:

    http://www.e-stories.de/…geschichten.phtml?22464

  19. Noch etwas genauer:

    Heliotron, Torsatron:

    Hier fließt der Strom in geschlossenen helixförmigen Leitern immer in die gleiche Richtung.

    Man benötigt somit kein toroidales Spulensystem, dafür aber Vertikalfeldspulen zur Kompensation des durch die helikalen Spulen erzeugten vertikalen Feldes.

    Im Gegensatz zum klassischen Stellarator sind die beiden Spulensysteme nicht ineinander verschränkt.

  20. Stellarator

    @Karl:
    In der Tat, bei TJ-K handelt es sich um einen speziellen Stellarator.
    Welcher Typus die besseren Zukunftsaussichten hat kann man wohl noch nicht abschätzen. Wenn die von Ihnen genannten Experimente ITER und W7-X angelaufen sind, dann können wir uns ja nochmal unterhalten 😉
    Zu den Stellaratoren muss man sagen, dass es erst seit einigen Jahren möglich ist, die komplizierte Magnetfeldgeometrie am Computer zu modellieren. Tokamaks brauchen keine solch kompliziert geformten Magnetfeldspulen, wie man sie sehr schön in den Bildern zu W7-X findet, die Sie ja verlinkt haben. Allerdings ist man bei Tokamaks auf den Pulsbetrieb eingeschränkt.

    Edit:
    sehr richtig, den Post habe ich eben erst gelesen.

  23. Topologie:

    Das vorhin gezeigte Bild stellt nur den Führungskasten der Kabel dar.

    Wie wickelt man einen Ringkerntransformator?

    Bei der Nähmaschine gibt es eine frei bewegliche Garnspule, um die eine Garnschlaufe herum gezogen wird.

    Es ist topologisch völlig unmöglich, dieser Garnspule von außen her Garn zuzuführen, wenn man im dreidimensionalen Raum lebt.

    Es ist so, daß man zuerst einen Teil der Kabel auf eine bewegliche Spule wickeln muß, und daß man dann diese Spule durch das Loch des Ringkerntransformators hindurchfädeln muß, mechanisch oder von Hand aus.

    Falls eine Spule des Kabels nicht ausreicht, dann muß man das Kabel zusammen löten, gut isolieren, und eine neue, kleine Spule herstellen.

    Es spielt keine Rolle, ob das Kabel dick oder dünn ist, alles an Kupfer muß durch das Loch des Ringkerntransormators hindurch gefädelt werden.

    Nachdem der TJ-K kein Fießbandartikel ist, sieht das nach ziemlich mühsamer Handarbeit aus.

  24. Tritium-Bonus

    http://members.chello.at/….bednarik/MOHAWK-2.jpg

    Dieses Bild hing lange in meinem Labor, aber Molekularbiologen arbeiten höchstens mit Chrom 51 Gammastrahlen.

    Immer schön den Tritium-Bonus beachten, dieses Scherzchen bezieht sich auf das Castle Bravo Test Desaster.

    (Beim letzten Ringkerntransformator fehlt ein “f”.)

  25. innere Spule

    @Karl:
    in der Tat, so sieht das innere Spulenpaket aus, was wir als Helikalfeldspule bezeichnen, da es sich helikal um das Vakuumgefäß herumwickelt.
    Bei der Erbauung von TJ-K habe ich nicht mitgewirkt, aber Fließbandartikel hat man meiner Erfahrung nach selten, dass heisst Handarbeit ist in der Tag desöfteren gefragt.
    Der “Tritium-Bonus” stellt bei unserer Experimenten noch kein Problem dar…

  26. Noch zwei Bilder und zwei Fragen:

    Noch zwei Bilder und zwei Fragen:

    TJ-K-Bild vom Hersteller CIEMAT:

    http://www-fusion.ciemat.es/…es/Plasma_Helix.GIF

    Stellarator Wendelstein7-AS,
    wie man zu modularen 3-dimensionalen Spulen kommt:

    http://www.ipf.uni-stuttgart.de/…hys/p80_07.html

    Das Leuchten eines Plasmas kommt vermutlich von der Rekombination der Atomkerne und Elektronen zu neutralen Atomen (?).

    Rein theoretisch müßte dann das Leuchten des Plasmas bei höheren Teilchen-Energien geringer werden (?).

  27. Noch eine dritte Frrage:

    Hallo Alf Köhn,

    noch ein drittes Bild und eine dritte Frage:

    Bild, Gamma-10 Tandem Mirror:

    http://orion.ph.utexas.edu/~starpower/g10coil.jpg

    Welche Funktionen haben hier die Plug/Barrier und die Anchor Cell?

    Als Laie vermutete ich bisher, daß eine trichterförmige Verengung der magnetischen Feldlinien schon alleine als Reflektor für das Plasma funktioniert.

    So, wie in diesem Bild:

    http://library.thinkquest.org/…ges/mirrormag.gif

    Danke für die Antworten im Voraus,
    umd mit freundlichen Grüßen,
    Karl Bednarik.

  29. noch ein paar Antworten

    @Karl:
    exakt, das Leuchten kommt von der Rekombination und, ja, es wird geringer bei hohen Temperaturen. Deswegen leuchtet das Plasma in dem Bild von ASDEX-U, was Sie verlinkt haben, auch nur am Rand im sichtbaren Bereich.
    In der Tat funktioniert die Verengung der Feldlinien als Reflektor. Über die Funktion der einzelnen Komponenten kann ich im Moment nur spekulieren, da ich ohne meinen Zugang vom Institut keinen Zugriff auf die entsprechenden Veröffentlichungen habe, daher verschiebe ich die Antwort nach hinten, ich hoffe, das nehmen Sie mir nicht übel 🙂
    Hm, vielen Dank für den Hinweis mit dem Link, dem werde ich mal nachgehen.

  30. Nur noch eine Zusatzfrage:

    Danke für die Antworten.

    Nur noch eine Zusatzfrage:

    Bei hohen Teilchen-Energien müßte das Plasma dann Synchrotron-Strahlung aussenden, weil sich die Teilchen auf schraubenförmigen Bahnen bewegen (?).

  31. Synchrotron

    @Karl
    im Prinzip richtig, soll heißen, Strahlung wird sehr wohl ausgesandt, allerdings keine Synchrotronstrahlung, dazu sind die Energien zu niedrig

  32. hitzebeständige Wand- dauerbetrieb?!

    Sehr geehrter Herr Köhn,

    meine Arbeit ist vielleicht auch für Sie von Interesse. Auf der folgenden Internetseite können Sie die PDF- Datei (Version in deutscher Sprache) herunterladen: (http://physikfreund.npage.de)

    Ich denke, dass neben der Volksrepublik China und den Vereinigten Staaten von Amerika auch Deutschland interessiert sein könnte.

    Mit freundlichem Gruß

    R.Stach

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