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Aktuelle Kernphysik 11. Oktober 2001 © email: Krahmer |
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Aktuelle Kernphysik 11. Oktober 2001 © email: Krahmer |
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Die stärkste
Mikrowelle der Welt
Pressemitteilung Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Technik
und Umwelt, 09.10.2001
Von: Inge Arnold
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Forschungszentrum
Karlsruhe entwickelt Mikrowellenheizung für die
Kernfusion Mit dem Mikrowellenherd in der Küche
verbindet diesen Mikrowellengenerator nur noch das
ähnliche Funktionsprinzip. Auch wärmt er keine
Tiefkühlgerichte auf. Stattdessen soll der am
Forschungszentrum Karlsruhe entwickelte Generator, ein so
genanntes Gyrotron, das Plasma eines künftigen
Fusionskraftwerks auf 100 Millionen Grad Celsius
erhitzen. Diese Temperatur muss man erreichen, um
Wasserstoffisotope zu Helium zu verschmelzen und so die
Energiequelle der Sonne technisch nutzbar zu machen. Im
Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik
des Forschungszentrums ist nun ein solcher
Mikrowellengenerator entwickelt worden. Mit einer
Ausgangsleistung von 1 Megawatt (1 Million Watt) - etwa
das Tausendfache eines Mikrowellenherdes - ist er die
stärkste Mikrowellenheizung der Welt. Kernfusion -
Energieerzeugung wie in der Sonne - ist eine
Zukunftsoption: Ein funktionsfähiges Kraftwerk wird wohl
erst in 50 Jahren Realität werden. Weltweit werden zwei
Konzepte verfolgt: Auf dem so genannten Tokamak-Prinzip
beruhen das europäische Fusionsexperiment JET und die
Pläne für das internationale Projekt ITER. Auf dem
Stellarator-Prinzip, das auf europäischer Ebene vor
allem vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in
Garching vorangetrieben wird, beruht das gerade in
Greifswald im Bau befindliche Fusionsexperiment
WENDELSTEIN 7-X. Der wesentliche Vorteil des Stellarators
besteht darin, dass die Energieerzeugung kontinuierlich
erfolgen kann, während beim Tokamak regelmäßig kurze
Betriebsunterbrechungen erforderlich sind. Diesen Vorteil
erkauft man mit einer komplizierteren Geometrie des
einschließenden Magnetfelds. In beiden Konzepten
benötigt man eine aufwendige Heizungsanlage, um die im
Reaktionsmedium - dem Plasma - notwendigen Temperaturen
von 100 Millionen Grad Celsius zu erzeugen. Erst bei
diesen Temperaturen kann das Plasma "zünden":
Die Verschmelzung von Wasserstoffisotopen zu Helium
beginnt und erhält - durch die dabei freiwerdende
Energie - auch die hohen Temperaturen aufrecht. Die
Anheizphase wird voraussichtlich 50 bis 100 Sekunden
betragen. "Ein Beitrag des Forschungszentrums zum
WENDELSTEIN 7-X ist der Aufbau des
Hochleistungs-Mikrowellen-Heizsystems mit einer
Gesamtleistung von 10 Megawatt", erläutert
Professor Dr. Manfred Thumm, Leiter des Instituts für
Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik im
Forschungszentrum Karlsruhe. "Es wird aus zehn so
genannten Gyrotrons, das sind die Erzeuger der
Mikrowellen, mit einer Heizleistung von jeweils 1
Megawatt bestehen. Darüber hinaus sind wir auch für die
Übertragung der Mikrowellen in das Fusionsplasma
verantwortlich." Das nun im Forschungszentrum
entwickelte und getestete Gyrotron konnte seine
Leistungsfähigkeit eindrucksvoll unter Beweis stellen:
Mit einer Ausgangsleistung von 1 Megawatt und Heizdauern
bis zu drei Minuten, in denen bei einer Frequenz von 140
Gigahertz (140 Milliarden Schwingungen pro Sekunde) bis
zu 90 Megajoule Energie abgegeben wurden, ist es
bisherigen Entwicklungen in Europa, Japan, Russland und
den USA weit überlegen. Die mit diesem Gerät gewonnenen
Erkenntnisse sollen jetzt in eine Kleinserie von
Gyrotrons für den WENDELSTEIN 7-X einfließen, die vom
Industriepartner des Forschungszentrums, der
Mikrowellenröhrenfirma Thales Electron Devices,
Frankreich, gefertigt werden soll. Die
Gyrotron-Entwicklung am Institut für
Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik erfolgt im
Rahmen des Projektes "Mikrowellenheizung für
WENDELSTEIN 7-X" in Zusammenarbeit mit der Ecole
Polytechnique Federale Lausanne, Schweiz. Außerdem
steuert das Institut für Plasmaforschung der
Universität Stuttgart sein Know-how durch den Bau der
Übertragungsleitungen vom Gyrotron zum Plasma und durch
die Auslegung der Hochspannungsversorgung für die
Gyrotrons bei. Wissenschaftlicher Hintergrund -
Mikrowellenheizung Die Aufheizung durch Mikrowellen
erfolgt dadurch, dass elektrisch geladene Teilchen im
elektromagnetischen Wechselfeld der Welle zu Schwingungen
angeregt werden. Die Energie dieser Schwingung wird dann
durch Stöße auch auf die umgebenden Teilchen
übertragen - es entsteht Wärme. Wenn die natürliche
Schwingungsfrequenz der geladenen Teilchen mit der
Frequenz der Mikrowellen übereinstimmt - man spricht von
Resonanz - ist die Energieübertragung am effektivsten.
In der Haushaltsmikrowelle werden die Dipole der
Wassermoleküle zum Schwingen angeregt. Für die
Plasmaheizung bei der Kernfusionsforschung nutzt man die
Resonanz von Elektronen im einschließenden Magnetfeld
aus. Die Elektronen werden zum Schwingen gebracht und
übertragen dann ihre Schwingungsenergie durch Stöße an
die umgebenden Elektronen und Ionen. Als günstigste
Frequenz für diesen Prozess im Stellarator WENDELSTEIN
7-X hat sich 140 Gigahertz erwiesen, das entspricht einer
Wellenlänge von etwa 2,1 Millimetern. Diese Mikrowellen
haben im Vergleich zu den UKW-Wellen bei anderen
Hochfrequenz-Plasmaheizverfahren den Vorteil, dass sie,
wie Licht, leicht über Spiegel in das Plasma
eingestrahlt werden können. Das Forschungszentrum
Karlsruhe ist - ebenso wie das Max-Planck-Institut für
Plasma-physik - Mitglied der größten deutschen
Forschungsorganisation, der Hermann von
Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e. V.
Joachim Hoffmann 6. Oktober 2001 Die Farbfotos senden wir
Ihnen auf Wunsch gerne zu (Telefon 07247/82-2861). Zu
dieser Mitteilung existieren Bilder im WWW. Siehe http://idw-online.de/public/zeige_bild?imgid=3394 Im Mikrowellen-Teststand wurde die Leistungsfähigkeit der Gyrotron-Röhre getestet. Mit Hilfe der Mikrowellenheizung soll das Plasma eines künftigen Fusionskraftwerkes auf 100 Mio. Grad Celsius erhitzt werden, um Wasserstoff zu Helium zu verschmelzen. http://idw-online.de/public/zeige_bild?imgid=3395 Mit einer Ausgangsleistung von 1 Megawatt und Pulslängen bis zu 3 Minuten ist das am Forschungszentrum Karlsruhe für die Energiegewinnung durch Kernfusion entwickelte 140 GHz-Gyrotron die stärkste Röhre der Welt zur Mikrowellenheizung |
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