Stellarator

Ein Stellarator ist eine torusförmige Anlage zum magnetischen Einschluss eines heißen Plasmas, perspektivisch mit dem Ziel der Energiegewinnung durch Kernfusion (siehe hierzu Kernfusionsreaktor). Der Name dieses Fusionskonzeptes soll an die Kernfusion als Energiequelle der Sterne (lateinisch stella, Stern) erinnern.

Kennzeichnend für den Stellarator ist, dass das zum Einschließen des Plasmas benötigte Magnetfeld ausschließlich durch Spulen erzeugt wird. Der Stellarator hat dadurch zwei Vorteile gegenüber dem Tokamak:

• Da kein toroidaler Strom im Plasma induziert werden muss, kann er im Dauerstrich-Betrieb arbeiten.
• Da im Plasma kein Gesamtstrom fließt, wird eine bestimmte Klasse von Instabilitäten des Plasmas, die sogenannten Disruptionen, vermieden.

Stellarator aus dem Fusionsexperiment „Wendelstein-IIa“

Geschichte

Das Konzept des Stellarators wurde 1951 im Rahmen des Projekts Matterhorn von Lyman Spitzer entwickelt, der eine Konfiguration vorschlug, bei der ein Torus zur Form der Ziffer 8 gebogen wurde.^[1] Die ersten Exemplare wurden 1951 im Princeton-Labor für Plasmaphysik gebaut. ^[2]

Stellaratoren sind komplexe Konstruktionen, weshalb die ersten Experimente mit ihnen nicht so erfolgreich waren wie jene mit dem Tokamak. Die weitere Forschung zur Fusionsenergiegewinnung konzentrierte sich daher anfangs auf das Tokamakkonzept. Durch ein sich entwickelndes besseres Verständnis der Eigenschaften eines Stellarators und fortgeschrittene Fertigungsmethoden konnten die Probleme, die in den frühen Experimenten auftraten, verstanden und überwunden werden, so dass der Stellarator nun eine gleichberechtigte Alternative zum Tokamak darstellt.

Theorie

Die zum Einschluss des Plasmas notwendige Verdrillung (Rotationstransformation) des Magnetfeldes wird beim Stellarator allein durch die Spulen erreicht. Ein Transformator zum Erzeugen eines elektrischen Stroms im Plasma ist daher im Unterschied zum Tokamak nicht nötig.

Man kann theoretisch zeigen, dass ein Stellarator nicht, wie z. B. der Tokamak, kontinuierlich axialsymmetrisch sein kann – d. h. bei einer beliebigen Drehung in toroidaler Richtung in sich selbst übergeht – sondern ein Gebilde ohne kontinuierliche Symmetrie sein muss. Der Stellarator besteht aus mehreren identischen Abschnitten, den Feldperioden, z. B. fünf für Wendelstein 7-X, zehn bei LHD, und besitzt eine diskrete Symmetrie: nur bei Rotation um den Winkel 2π / P in toroidaler Richtung – wobei P die Anzahl der Feldperioden ist – geht die Konfiguration in sich selbst über. Als zweite Symmetrie kann noch die sogenannte Stellaratorsymmetrie vorliegen: Bei dieser geht eine Feldperiode in sich über, wenn sie um eine spezielle Achse um π gedreht wird.

Die diskrete Symmetrie führt zu spezifischen Effekten, die bei kontinuierlich axialsymmetrischen Konfigurationen nicht auftreten. So kann es anders als beim Tokamak vorkommen, dass die magnetischen Feldlinien nicht mehr überall auf ineinander verschachtelten Flächen verlaufen, sondern sich stellenweise chaotisch verhalten. Da sich dies negativ auf den Einschluss des Plasmas auswirkt, müssen diese Gebiete möglichst klein sein.

Klassifizierung

Je nach Aufbau unterscheidet man mehrere Typen von Stellaratoren:

Klassischer Stellarator

Elementspule von „Wendelstein 7-AS“

Das Spulensystem besteht aus 2l (mit einer natürlichen Zahl l) geschlossenen helixförmigen Leitern, in denen der Strom in jeweils benachbarten Leitern in entgegengesetzte Richtung fließt. Dieses Spulensystem ist umgeben von weiteren Spulen, die ein toroidales Magnetfeld erzeugen. Dieser Stellaratortyp besitzt somit zwei ineinander verschränkte Spulensysteme (Beispiel: Wendelstein 7-A).

Heliotron, Torsatron

Hier fließt der Strom in l 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 (Beispiel: LHD).

Heliac

Diese Konfiguration besteht aus einem System toroidaler Feldspulen, deren Mittelpunkt einer helikalen Linie folgt, entlang der ein weiterer Leiter liegt. Vertikalfeldspulen werden zum Kompensieren des vertikalen Feldes benötigt (Beispiel: TJ-II).

Optimierter Stellarator

Mit seiner besonderen, komplizierten Geometrie bietet der Stellarator Möglichkeiten, die Form mittels numerischer Computerberechnungen (Optimierungsalgorithmen) so zu verändern, dass bestimmte Forderungen an das physikalische Verhalten, z. B. Stabilität des Plasmas gegenüber kleinen Störungen, guter Einschluss von Teilchen usw., möglichst gut erfüllt werden. Dies führt zu den sogenannten optimierten Stellaratoren. Es wird zuerst die Form des Plasmas berechnet und dann in einem zweiten Schritt das (modulare) Spulensystem, das das dazu nötige Magnetfeld erzeugt. Beispiele für optimierte Stellaratoren sind Wendelstein 7-X und NCSX.

Eine neuere Entwicklung stellen Mischformen zwischen Tokamak und Stellarator dar. Sie haben wie der Stellarator eine diskrete axiale Symmetrie und wie der Tokamak einen toroidalen Strom.

Modulares Spulensystem

Ein großes Maß an Gestaltungsfreiheit für das Spulensystem, und damit für das Magnetfeld, gewinnt man durch die Verwendung von modularen Spulen, d. h. Spulen, die poloidal geschlossen, aber nicht eben sind. Mittels dieses Konzeptes können nahezu beliebige Stromverteilungen auf einer vorgegebenen Fläche erzeugt werden. Modulare Spulensysteme sind besonders wichtig für optimierte Stellaratoren. Auch im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Konstruierbarkeit sind modulare Spulensysteme häufig einem nichtmodularen Spulensystem überlegen.

Stellaratorexperimente

• Wendelstein 7-AS
• Wendelstein 7-X
• Large Helical Device

Einzelnachweise

1. ↑ Project Matterhorn Publications and Reports, 1951-1958 Princeton University Library Digital Collections, abgerufen am 25. Oktober 2010
2. ↑ PPPL HISTORY - 1950s Princeton Plasma Physics Laboratory, abgerufen am 25. Oktober 2010