Broschüre "Kernfusion" - KIT - PL FUSION

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2.4.1. Der Tokamak
In der Praxis handhabbar wird das
magnetische Einschlussprinzip, wenn
man das Plasmagefäß ringförmig
gestaltet und diesen Ring (lateinisch
„Torus“) mit starken Magnetfeldspulen,
den so genannten „Toroidalfeldspulen“,
umgibt (Abb. 9). Eine
Transformatorspule auf der Symmetrieachse
des Torus induziert einen
starken elektrischen Strom von vielen
Hunderttausend oder Millionen Ampere,
indem die elektrisch geladenen
Bestandteile des Plasmas (Elektronen
und Ionen) in Bewegung gesetzt werden.
Der Plasmaring wirkt dabei als
einwindige Sekundärwicklung des
Transformators. In Folge heizt sich
das Plasma aufgrund seines elektrischen
Widerstandes auf. Der Plasmastrom
erzeugt seinerseits ein weiteres
Magnetfeld, das konzentrisch
zum Torus orientiert ist, das so
genannte „Poloidalfeld“. Zur Stabilisierung
des Plasmas wird schließlich
noch ein weiterer Spulensatz hinzugefügt:
die Vertikalfeldspulen. Insge-
Transformatorjoch
Plasmastrom
Abb. 9:
Stabiler Einschluss von
Fusionsplasmen in einem
Torus mit helikalem
Magnetfeld und Plasmastrom:
das Tokamak-Prinzip.
(Grafik: FZJ)
samt entsteht durch die vektorielle
Überlagerung von Toroidalfeld, Vertikalfeld
und Poloidalfeld ein helikales
– d.h. schraubenförmig gewundenes
– Summenmagnetfeld, welches
das Plasma vollständig „umwickelt“.
Die helikale Struktur des Magnetfeldes
ist unverzichtbar für den stabilen
Einschluss eines ringförmigen
Fusionsplasmas.
Die gerade beschriebene Anordnung
nennt man „Tokamak“ (Abb. 9). Das
Akronym steht für den russischen
Begriff „TOroidalnaya Kamera s
MAgnitnymi Katushkami“, frei übersetzt:
„toroidale Kammer mit Magnetfeldspule“.
Russische Forscher
waren die ersten, die in den sechziger
Jahren das Tokamak-Prinzip anwendeten
und darauf beruhende Experimente
in Betrieb nahmen. Seitdem ist
der Tokamak zum erfolgreichsten
Transformatorspulen
Plasma
Magnetfeldlinie
Toroidalfeldspulen
Vertikalfeldspulen
und am weitesten fortgeschrittenen
Konzept zur Realisierung der Kernfusion
geworden. Alleine durch den
Plasmastrom in Kombination mit
dem elektrischen Widerstand des
Plasmas lassen sich Temperaturen bis
über 10 Millionen Grad erzeugen.
Auch das im Bau befindliche internationale
Experiment ITER wird ein
Tokamak sein. Allerdings ist ein
Tokamak vom Prinzip her zunächst
einmal eine nur mit zeitlich begrenzten
Pulsen betreibbare Maschine:
Grund ist die nicht beliebig hohe
Magnetisierbarkeit des Transformatormaterials,
siehe Kapitel 3.1.1.
Tokamak-Forschung betreiben in der
Helmholtz-Gemeinschaft das Max-
Planck-Institut für Plasmaphysik in
Garching (Experiment ASDEX Upgrade)
und das Forschungszentrum
Jülich (Experiment TEXTOR).