Dammertz, G.

Heidinger, R.

Koppenburg, K.

Piosczyk, B.

Thumm, M.

KITopen

Für die Heizung von Fusionsplas-men auf viele Millionen Grad ste-hen mehrere Methoden zur Verfü-gung. Die einfachste, die Ohm-sche Heizung, nimmt mit zuneh-mender Temperatur stark ab. Beihohen Temperaturen wird daherdas Plasma durch den Einschussenergiereicher Wasserstoffatomebzw. deren Isotope oder durchEinstrahlung elektromagneti-scher Hochfrequenz-(HF)-Wellengeheizt.Die Absorption elektromagneti-scher Wellen in einem Plasma istbesonders stark, wenn sich Wel-len und Ladungsträger nahezusynchron (resonant) bewegen.Die Kräfte auf die Ladungsträgersind ähnlich wie bei einem Wel-lenreiter: Ist dessen Geschwin-digkeit im Vergleich zur Wasser-welle zu schnell oder zu langsam,so bewegt er sich über Wasser-berge und durch Wassertäler; imMittel gibt es keinen Energieaus-tausch. Ist die Geschwindigkeitidentisch, so wird der Wellenreiterohne Wechselwirkung zwischenzwei Wellenbergen pendeln. Eskommt zum Energieaustausch,wenn die Geschwindigkeiten derWelle und des Reiters nur gering-fügig voneinander abweichen.Bei geringerer Geschwindigkeitdes Wellenreiters überholt ihn dieWasserwelle, er fährt an der Vor-derseite der Wasserwelle undentnimmt dieser Energie, beihöherer Geschwindigkeit fährt eran der Rückseite und verliert En-ergie.Die Ladungsträger (Elektronenoder Ionen) besitzen im Plasmaeine nahezu Maxwellsche Ge-schwindigkeitsverteilung. Die An-zahl der Ladungsträger mit gerin-gerer Geschwindigkeit ist größerals die mit höherer Geschwindig-keit und im Mittel erfolgt eine En-ergieabgabe an die Ladungsträ-ger. Die Ankopplung kann an dieIonen (Ionen-Zyklotron-Reso-nanz-Heizung: ICRH), an Elektro-nen und Ionen (Lower-Hybrid-Heizung: LHH) oder an die Elek-tronen (Elektronen-Zyklotron-Re-sonanz-Heizung: ECRH) erfol-gen. Bei der ECRH ist wegen der kur-zen Wellenlängen die Übertra-gung der Wellen mit überdimen-sionierten Hohlleitern oder op-tisch mit Spiegeln und eine ge-bündelte Abstrahlung ins Plasmaunproblematisch. Zur Zeit wer-den Abstrahlsysteme mit korru-gierten (mit Rillen versehenen)Hohlleitern untersucht, die eineVeränderung des Einstrahlwin-kels ohne im Plasmagefäß ange-ordnete Spiegel ermöglichen. Die Wechselwirkung der Millime-terwellen mit dem Plasma ist beider ECRH gut lokalisiert, da Ab-sorption nur dort stattfindet, wodie oben beschriebene Reso-nanzbedingung erfüllt ist. Daherkann das radiale Temperaturprofildes Plasmas geändert werdenund durch nicht-induktivesTrei-ben eines lokalen Stromes auchdie Stabilität des Plasmas in To-kamaks kontrolliert werden. Eswurde weiterhin nachgewiesen,dass die ECRH auch zur effekti-ven Erzeugung eines heißenPlasmas aus dem neutralen Füll-gas eingesetzt werden kann.Das ECRH-Verfahren zur Heizungund zum nicht-induktiven Strom-trieb ist seit langem bekannt. Erstmit der Entwicklung leistungs-starker Millimeterwellen-Röhren(Gyrotrons) für den stationärenBetrieb wurde diese Heizung undder nicht-induktive Stromtrieb fürdie Reaktoren der Zukunft wiez. B. für den „International Ther-monuclear Experimental Reactor(ITER)“ und für den im Bau be-findlichen Stellarator Wendelstein7-X (W7-X) in Greifswald interes-sant. Das Prinzip dieser Mikrowellen-Oszillatorröhre beruht auf derWechselwirkung zwischen einerHohlleiterwelle in der Nähe ihrerGrenzfrequenz, bei der die Wel-lenlänge im Hohlleiter groß ist imVergleich zu der im freien Raum,und einem hochenergetischenElektronenstrahl. Das Prinzip derEnergieabgabe zwischen La-dungsträgern und HF-Wellenwurde oben mit Hilfe des an-schaulichen Effekts eines Wellen-reiters erklärt. Zur Energieabgabean die Welle ist es notwendig,dass die Geschwindigkeit desWellenreiters etwas größer ist alsdie Geschwindigkeit der Welle.Bei einem Gyrotron (aus: Gyro =Kreisel und Elektron) wird dieWechselwirkung mit dem rotie-renden HF-Feld auf Grund einerdurch ein statisches Magnetfeldverursachten Transversalbewe-gung erzeugt. Da die Zyklotron-frequenz wegen der relativisti-schen Massenzunahme der Elek-tronen mit zunehmender Elektro-nengeschwindigkeit abnimmt(und die TeilchengeschwindigkeitFunktionsprinzip einesGyrotronsPlasmaheizung mit HF-WellenEinleitung30(30)Gyrotronröhren und Millimeterwellentechnik für dieKernfusionG. Dammertz, K. Koppenburg, B. Piosczyk, M. Thumm, IHM: R. Heidinger, IMFNACHRICHTEN - Forschungszentrum Karlsruhe  Jahrg. 36  1/2004  S. 30-35 etwas größer als die Wellenge-schwindigkeit sein muss), mussdie Zyklotronfrequenz geringfü-gig kleiner sein als die Wellenfre-quenz. Für nicht-relativistischeElektronen entspricht ein Ma-gnetfeld von 1 Tesla einer Wellen-frequenz von 28 GHz.Um eine Resonanzerhöhung beider Wechselwirkung zwischenHohlleiterwelle und Elektronen-strahl zu erhalten, muss der Hohl-leiter als Resonanzkörper ausge-bildet werden. Dies erreicht mandurch zwei Reflexionsstellen.Zum Erzeugungssystem desElektronenstrahls hin verjüngtsich der Hohlleiter derart, dassdort keine HF-Wellen austretenkönnen (Totalreflexion). Am Aus-gang wird der Hohlleiter konischaufgeweitet, sodass durch dieImpedanzänderung eine teilweiseReflexion stattfindet. Ein Vorteildes Gyrotrons gegenüber ande-ren Mikrowellenröhren besteht inder Möglichkeit, den Resonatorbei sehr hohen Oberschwingun-gen anzuregen, da die angeregteSchwingung nicht nur durch des-sen Eigenfrequenz, sondern auchdurch die Resonanzbedingungzur Zyklotronfrequenz bestimmtist. Der Elektronenhohlstrahl wirdvon einem ringförmigen Emitterfrei gesetzt und zur radial ange-ordneten Anode beschleunigt.Durch das zwischen Elektronen-kanone und Resonator liegendeund zum Resonator hin anstei-gende statische Magnetfeld wirddie Transversalgeschwindigkeiterhöht (magnetische Flasche)und der Elektronenhohlstrahlkomprimiert, so dass er im Be-reich der maximalen elektrischenFeldstärke der Resonatormodewechselwirkt. Das Anschwingender Röhre (im „leeren“ Resonator)wird durch das in jedem Resona-tor vorhandene Rauschen initi-iert. Die HF-Welle wird durch einenüberdimensionierten Hohlleiterzu einem quasi-optischen Wel-lentypwandler geleitet, der dieResonatormode in eine linear po-larisierte, rotationssymmetrischeGauß’sche Mode umwandelt(Abb.1). Die Aufgaben im Forschungs-zentrum konzentrieren sich aufdie Entwicklung und den Aufbaudes 10 MW ECRH-Systems anW7-X, die Entwicklung von Gy-rotrons mit koaxialem Resonatorfür ITER, von frequenzdurch-stimmbaren Gyrotrons mit kon-Entwicklungsaufgaben31(31)Abb. 1: Schematischer Aufbau eines Gyrotrons mit der Elektro-nenkanone, dem supraleitenden Magnetsystem, dem Resonator,dem Modenwandler, dem Diamantfenster und dem Kollektor. Aufder rechten Seite ist die Feldverteilung am Auskoppelfenster(oben) und im Resonator (unten) dargestellt. Die Umwandlung ge-schieht mittels eines optimierten Modenwandlers.HF-StrahlModenwandlerResonatorElektronenkanoneSupraleitende SpulenFeldverteilungenFenster aus synthetischem DiamantKollektorventionellen Resonatoren für denGarchinger Tokamak ASDEX-Upgrade sowie die Entwicklungeines kompletten Antennen-blocks zur Einkopplung derECRH-Welle bei ITER.ECRH-System für denStellarator Wendelstein 7-X Die Leistung von 10 MW an W7-Xfür nahezu stationären Betriebsoll von zehn Gyrotrons mit einerAusgangsleistung von je 1 MWbei einer Frequenz von 140 GHzgeliefert werden [1]. Die ECRH-Arbeiten werden innerhalb des„Projektes Mikrowellenheizungfür W7-X (PMW)“ durchgeführt,dem das IHM, das Institut fürPlasmaphysik (IPP) in Garchingbzw. Greifswald und das Institutfür Plasmaforschung (IPF) derUniversität Stuttgart angehören.Bei der Entwicklung der Gy-rotrons sind das Centre desRecherches en Physique des Plasmas (CRPP) in Lausanne,Schweiz, und die RöhrenfirmaThales Electron Devices (TED) inFrankreich beteiligt. Der Einsatz von synthetischenDiamantscheiben (Abb. 2) zurAuskopplung des HF-Strahls ausdem Gyrotron stellte einengroßen Schritt bei der Entwick-lung von Gyrotrons dar, da ande-re Materialien durch ihre hohenHochfrequenzverluste für Hoch-leistungsgyrotrons ungeeignetsind. Ein weiteres Problem stelltdie unvollständige Umwandlungder Resonatormode in die Aus-gangsmode (Abb. 1) dar. TrotzOptimierung des Systems und ei-nem experimentell ermitteltenWirkungsgrad von weltweit ein-zigartigen 97% verursacht dierestliche vagabundierende HF-Strahlung, die teilweise im Gy-rotron absorbiert wird, Tempera-turerhöhungen, die auf Grund derdamit verbundenen Drucker-höhungen (Ausgasen) zum Ab-schalten des Gyrotrons führten.Abb. 3 zeigt die Ausgangsleis-tung der Prototypröhre als Funk-tion für verschieden Pulslängen.Für knapp 12s konnten 970 kWmit einem Wirkungsgrad von44% erzeugt werden. Bei ernie-drigter Leistung – 540 kW – führteeine Druckerhöhung nach 938 szur Abschaltung des Gyrotrons. Auf Grund der hervorragendenErgebnisse in Ausgangsleistungund Pulslängen wurde die Ent-wicklung abgeschlossen und dieSerienröhren mit den dazugehö-rigen supraleitenden Magnetsys-temen bestellt. Die Röhren wer-den 2004 - 2007 geliefert, im For-schungszentrum getestet und imIPP Greifswald installiert. Die32(32)Abb. 2: Ein in Zusammenarbeit zwischendem Forschungszentrum (IHM und IMF I),dem „Japan Atomic Energy Research Insti-tute (JAERI)“, Japan, und DeBeers, Verei-nigtes Königreich, entwickelte Scheibeaus synthetischem (CVD) Diamant. DieScheibe hat einen Durchmesser von 106 mm und eine Dicke von 1,8 mm (300Karat).Abb. 3: Ausgangsleistung der Prototypröhre für W7-X bei ver-schiedenen Pulslängen. Bis zu 180 s ist die Pulslänge durch dasHochspannungsnetzgerät begrenzt. Bei niedrigen Leistungen(500 kW) sind längere Pulse möglich und die Begrenzung ist durchAusgasen auf Grund vagabundierender HF-Strahlung innerhalbdes Gyrotrons gegeben. Mit 505 MJ Energieinhalt stellt der 938 slange Puls einen Weltrekord in diesem Frequenzbereich dar.1,00,80,60,40,20Ausgangsleistung [MW]0 60 120 180 900 1000 1100 1200 1300Pulslänge [s]Übertragung der HF-Welle erfolgtquasi-optisch mit Hilfe von An-pass- und Fokussierspiegeln, dievom IPF der Universität Stuttgartentwickelt wurden. Gyrotron mit koaxialemResonator für Ausgangs-leistungen von 2 MWFür reduzierte ECRH-Kosten beizukünftigen Fusionsreaktoren istes günstig, möglichst hohe Aus-gangsleistungen zu erzielen unddamit die Anzahl der Gyrotronsund Magnete zu reduzieren. Gy-rotrons mit zylindrischen Resona-toren stoßen wegen der Ohm-schen Verluste im Resonator beieiner Ausgangsleistung von1 MW an ihre technischen Gren-zen. Für höhere Ausgangsleistun-gen müssen die Resonatorenvergrößert werden, womit die An-zahl der möglichen Schwin-gungsmoden steigt und die Anre-gung der gewünschten Schwin-gung schwieriger wird. DurchEinführung eines Innenleiters mitoptimiertem Radius und Längsril-lung (Korrugation) können auchbei größeren Resonatoren stabileSchwingungsverhältnisse erzieltwerden. Ziele der Arbeiten sind Untersu-chungen an Gyrotrons mit ko-axialem Resonator in Hinblick aufdie Verwirklichung für Langpuls-betrieb bei 170 GHz mit einerAusgangsleistung von 2 MW fürITER. Dazu wurde im For-schungszentrum ein Gyrotronentwickelt und untersucht, daszwar im Kurzpulsbetrieb getestetwurde, jedoch mit für Langpuls-betrieb geeigneten Komponen-ten versehen war [2]. Die Ausgangsleistung betrug2,2 MW (Weltrekord). Insbeson-dere wurden der Anteil der inter-nen Streustrahlung, der Einflussder radialen Dejustierung des In-nenleiters und die Verluste am In-nenleiter bestimmt. Es wurden fürLangpulsbetrieb keine begren-zenden Effekte gefunden. Auf Grund dieser Messungenwurde ein Entwurf eines 170 GHzkoaxialen Gyrotrons für eine kon-tinuierliche Ausgangsleistungvon 2 MW erstellt. Dieser Entwurferfolgte in Zusammenarbeit zwi-schen den verschiedenen EURA-TOM-Assoziationen – dem For-schungszentrum, dem CRPP, derHelsinki University of Technology– sowie TED. Dabei wurden auchdie bei ITER durch den Betriebmit Deuterium und Tritium gege-benen Bedingungen berücksich-tigt. Ein mit Wasser randgekühl-tes Einscheiben-Diamantfenstermit einem Durchmesser von106 mm ist vorgesehen. FrequenzdurchstimmbaresGyrotron für ASDEX-UpgradeMagnetohydrodynamische (MHD)Instabilitäten schränken denPlasmadruck sehr stark ein undbegrenzen damit die Effizienz vonReaktoren. Die Unterdrückungdieser Instabilitäten stellt eine derwesentlichen Herausforderungenbei der Entwicklung eines Fusi-onsreaktors dar. Bei bisherigen Plasmaexperi-menten beschränkte man sichzur Vermeidung von MHD-Insta-bilitäten auf den Ausschluss ge-fährlicher Plasmaparameterbe-reiche. Eine Rückkopplung aufdie Verteilung der Plasmaströmeist effektiver, da die Stabilität ei-nes Tokamaks stark durch dieVerteilung der Plasmaströme be-stimmt ist. Dazu ist die ECRHhervorragend geeignet, da dieAbsorptionszone durch die Gy-rotron-Frequenz und durch dasMagnetfeld vorgegeben ist undgut lokalisierter Stromtrieb er-reicht werden kann. In früheren Experimenten wurdedie Möglichkeit der stufenwei-sen Frequenzänderung zwischen114 GHz und 166 GHz durch Ver-änderung des Magnetfeldes ex-perimentell nachgewiesen [3]. In dem HGF-Strategiefondspro-jekt „Optimisation of TokamakOperation with Controlled ECRH-Deposition“ zwischen For-schungszentrum, IPP Garchingund Forschungszentrum Jülichwird die Möglichkeit der Plasma-stabilisierung untersucht. DieEntwicklung der frequenzdurch-stimmbaren Gyrotrons wird in Zu-sammenarbeit mit dem Institutfür Angewandte Physik (IAP) derRussischen Akademie der Wis-senschaften in Nizhny Novgoroddurchgeführt. Im Forschungszen-trum werden die durch die Breit-bandigkeit hervorgerufenen Pro-bleme untersucht: Die Minimie-rung der Streustrahlung und diereflexionsfreie Auskopplung derHF-Welle.Entwicklung eines ECRH-Einspeisesystems für ITER zur Unterdrückungvon PlasmainstabilitätenDer Ausbildung der MHD-Instabi-litäten soll bei ITER durch Ein-speisung von Millimeterwellenmit einer Leistung von etwa20 MW in kontinuierlichem Be-33(33)trieb entgegen gewirkt werden,wobei die Absorptionszonen imPlasma bei fester Frequenz(170 GHz) über den poloidalenEinstrahlwinkel verändert wer-den. Auf Grund der aktuell er-reichten Ausgangsleistungen inder Gyrotronentwicklung sindStrahlführungseinheiten für 1 MWprojektiert (mit der Option auf2 MW). So werden derzeit 24 Einheiten vorgesehen, die aufdrei identische Antennenblocks(„Plugs“) in der oberen Port-Ebenedes Plasmatorus verteilt sind [4]. Die wesentlichen Komponenteneines Port-Plugs sind in Abb. 4dargestellt. Der thermischen undneutronischen Belastung wirddurch Abschirmkomponenten(Blanket Shield Module: BSM)begegnet, die die Blanketstrukturdes Torus schließen. Die erstenTritiumbarrieren werden durchHochleistungsfenstereinheitenaus synthetischem Diamant ge-bildet. Außerhalb dieses primärenVakuumbereichs befinden sichdie Spiegeleinheiten, über die dieWinkelabstimmung erfolgt. InPlasmanähe verbleiben nur starreSpiegel. Dieses „Remote Stee-ring Concept“ verzichtet damitauf eine hochpräzise Abstim-mung der Spiegelneigungen undflexiblen Kühlwasserführung imhochbelasteten BSM.Zusammen mit europäischenPartnern (z.B. „FundamenteelOnderzoek der Materie (FOM)-In-stitut für Plasmaphysik in Rijnhui-zen (Niederlande) für das Millime-terwellen-Design) wurde der Auf-bau auf einfache Zerlegbarkeitoptimiert, damit aktivierte und mitBeryllium kontaminierte Kompo-nenten ausgetauscht werdenkönnen. So wurde vorerst auf ei-ne aufwändige gewinkelte Strahl-führung verzichtet. Modellrech-nungen, die den Strömungseffektder Neutronen entlang der Mi-krowellen-Hohlleiterstrukturenquantifizieren, sind ein wichtigerBestandteil der Designentwick-lung. Schlüsselkomponenten bil-den die Torusfenstereinheiten,die in Form von Einscheiben-bzw. Doppelscheiben-Anordnun-gen mittels thermo-mechani-scher Modellrechnungen ausge-legt werden. Ein Hochleistungs-test einer Einspeiseeinheit wirdfür 2005 am Gyrotronteststanddes Forschungszentrums vorbe-reitet und bildet einen wesent-lichen Meilenstein in der näch-sten Programmphase.Für die endgültige Festlegungdes Designs wird die Größe deserreichten Stromtriebes im Plas-ma unter der Federführung desIPP Garching modelliert. Durchgeeignete Fokussierung kann dieGütezahl für den Stromtrieb ver-doppelt werden, dies wird durchEinschränkungen im Winkelbe-reich erkauft. Die daraus sich er-gebenden Konsequenzen für denAufbau der „Port Plugs“ bildenden Gegenstand der nächstenEntwicklungsarbeiten.34(34)Abb. 4: „Remote-Steering“-Aufbau eines ECRH-Einspeisesystem für ITER: Millimeterwellen-Leis-tung wird von beweglichen plasmafernen Ablenkspiegeln über winkelerhaltende Hohlleiter auf star-re plasmanahe Spiegel geführt.Torus-Fenstereinheiten„Remote-Steering“-AblenkspiegelKorrugierteRechteck-WellenleiterTragendeStruktur„Blanket“-AbschirmmoduleVordere (feste) SpiegeleinheitenMillimeter-wellenstrahlen35(35)[1] G. Dammertz, S. Alberti, A. Arnold,E. Borie, V. Erckmann, G. Gantenbein,E. Giguet, R. Heidinger, J.P. Hogge,S. Illy, W. Kasparek, K. Koppenburg,M. Kuntze, H.P. Laqua, G. LeCloarec,Y. LeGoff, W. Leonhardt, C. Liévin,R. Magne, G. Michel, G. Müller,G. Neffe, B. Piosczyk, M. Schmid,K. Schwörer, M. Thumm, M.Q.Tran,IEEE Trans. on Plasma Science,vol. 30 (2002) 808-818[2] B. Piosczyk, A. Arnold, G. Dammertz,O. Dumbrajs, M. Kuntze, M. Thumm,IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 30 (2002) 819-828[3] M. Thumm, A. Arnold, E. Borie,O. Braz, G. Dammertz, O. Dumbrajs,K. Koppenburg, M. Kuntze,G. Michel, B. Piosczyk, Fusion Engineering and Design 53(2001) 407-421Literatur[4] R. Heidinger, I. Danilov, G. Dammertz,U. Fischer, G. Hailfinger, K. Kleefeldt,A. Meier, E. Stratmanns, M. Thumm,A.G.A. Verhoeven, Proc. Joint US-JA and EU-JA Work-shop on RF Heating Technology,Tokai (Japan), 25-26 September 2003

Gyrotronröhren und Millimeterwellentechnik für die Kernfusion

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Gyrotronröhren und Millimeterwellentechnik für die Kernfusion

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