Wendelstein W7-X: Das Magnetfeld passt

Das Magnetfeld steht – so lautete die Überschrift meines letzten Beitrags. Jetzt ist klar, dass nicht nur die supraleitenden Spulen sich so verhalten wie sie sollen, sondern dass auch die komplizierte dreidimensionale Geometrie des Magnetfeldes in W7-X so aussieht wie sie soll.

Wendelstein W7-X ist ein Fusionsexperiment vom Typ Stellarator. Das bedeutet, dass das zum Einschluss des heißen Plasmas notwendige Magnetfeld komplett durch externe Spulen erzeugt wird – im Gegensatz zum Tokamak, bei dem ein im Plasma selbst fließender Strom ein Teil des Magnetfeldes erzeugt. Die exakte Geometrie dieses Magnetfeldkäfigs spielt dabei im Stellarator eine entscheidende Rolle dafür, wie gut die heißen Teilchen im Plasma eingeschlossen sind. Entsprechend war die Vermessung des Magnetfeldes mit Spannung erwartet worden.

Das Funktionsprinzip der Diagnostik ist im Grunde recht einfach: Eine Elektronenquelle, zum Beispiel ein heißer Wolframdraht, erzeugt im evakuierten Gefäß von W7-X freie Elektronen. Diese bewegen sich entlang der Magnetfeldlinien praktisch ungestört und folgen ihr somit. Eine Magnetfeldlinie hat nach einem Umlauf einen gewissen Versatz (im Querschnitt betrachtet) und schließt sich im Regelfall nie. Sie läuft also schraubenförmig um und spannt so eine Röhre auf, die im Stellarator viele Beulen und Dellen hat und als magnetische Flussfläche bezeichnet wird. Im Querschnitt sieht das dann aus wie eine geschlossene Kurve.

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Abbildung 1: Mehrere, sogenannte Flussflächen im Stellarator W7-X (Bild: IPP, Dr. Matthias Otte).

Um diese geschlossene Kurve zu visualisieren, schwingt ein Stab durch das Gefäß, der mit einer fluoreszierenden Farbe beschichtet ist. Trifft der Elektronenstrahl auf den Stab, leuchtet er und eine Langzeitbelichtung (Größenordnung 1 min) offenbart dem Experimentator dann die Form des Magnetfeldes in einem bestimmen Querschnitt. Wie das Team um Dr. Matthias Otte nun Ende letzter Woche verkünden konnte, entspricht diese Form den berechneten Flussflächen. Mehrere Langzeitbelichtungen übereinander gelegt sind in Abb. 1 dargestellt. Man erkennt sehr schön die ineinander verschachtelt liegenden Kurven, die jeweils den bereits beschriebenen Röhren entsprechen und dadurch sichtbar gemacht wurden, dass die Elektronenquelle an verschiedenen radialen Positionen im Vakuumgefäß positioniert war.

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Abbildung 2: Direkte Sichtbarmachung einer Magnetfeldlinie in W7-X durch Ionisierung entlang der Feldlinie sowie die Form einer Flussfläche in Querschnitt (Bild: IPP, Dr. Matthias Otte)

Lässt man nun zusätzlich noch etwas Restgas in das Gefäß, so können die Elektronen entlang der Magnetfeldlinie das Restgas ionisieren und für sehr schöne Leuchterscheinungen sorgen. In Abb. 2 ist genau das gemacht worden. Zusätzlich war auch hier der Schwenkstab eingebaut und man erhält eine, wie ich finde, sehr schöne Photographie. Die direkte Sichtbarmachung der Feldlinien ist allerdings nicht nur von ästhetischem Wert, denn so kann man zum Beispiel direkt prüfen, wie gut zwei entfernte Diagnostiken auf ein und derselben Feldlinie liegen (wenn sie das denn sollen).

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Abbildung 3: Magnetische Feldlinie im Stellarator W7-AS (Bild: IPP, Dr. Matthias Otte, stellarator news 100).

Die Vermessung der Magnetfeldgeometrie ist immer eines der ersten Experimente, die man in einem Stellarator machen muss. Wie ich bereits im letzten Beitrag erwähnt hatte, haben wir das beispielsweise an dem Stellarator TJ-K an der Uni Stuttgart auch gemacht. Ein anderes Beispiel ist in Abb. 3 dargestellt, das die Magnetfeldlinien in W7-AS zeigt, dem Vorgänger von W7-X.

An W7-X wird es jetzt so richtig spannend, denn das erste richtige Plasma rückt in greifbare Nähe. Sobald es soweit ist, werde ich davon berichten.

Veröffentlicht von

Alf Köhn hat in Kiel Physik studiert und an der Uni Stuttgart am Institut für Plasmaforschung promoviert. Momentan ist er als Post-Doc am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching tätig und beschäftigt sich dort überwiegend mit der Wechselwirkung von Plasmen und elektromagnetischen Wellen.

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