Stellerator

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.

Geschichte

Das Konzept des Stellarators wurde 1951 von Lyman Spitzer entwickelt, der eine Konfiguration vorschlug, bei der ein Torus zur Form der Zahl 8 gebogen wurde. Die ersten Exemplare wurden 1951 im Princeton-Labor für Plasmaphysik gebaut.

Stellaratoren sind komplexe Konstruktionen, weshalb die ersten Experimente mit ihnen nicht so erfolgreich waren wie jene mit dem Tokamak. Die weitere Forschung zur Kernfusion 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

Da die zum Einschluss des Plasmas notwendige Verdrillung (Rotationstransformation) des Magnetfeldes beim Stellarator alleine durch die Spulen erreicht wird, benötigt dieser im Unterschied zum Tokamak keinen Transformator zum Erzeugen eines Plasmastroms. Man kann theoretisch zeigen, dass ein Stellarator nicht, wie z. B. der Tokamak, axialsymmetrisch sein kann - d. h. bei einer beliebigen Drehung in toroidaler Richtung in sich selbst übergeht - sondern ein dreidimensionales Gebilde ohne kontinuierliche Symmetrie sein muss.

Üblicherweise besteht ein Stellarator aus mehreren identischen Abschnitten, den Feldperioden, z. B. fünf für Wendelstein 7-X, zehn bei LHD. Er besitzt somit eine diskrete Symmetrie: Bei Rotation um 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.

Ein Stellarator hat u. a. zwei Vorteile gegenüber einem Tokamak:

• Da er keinen Transformator zum Treiben eines toroidalen Stroms benötigt, kann er im Dauerstrich-Betrieb arbeiten.
• Es wird eine bestimmte Klasse von Instabilitäten des Plasmas, die sogenannten Disruptionen, vermieden, da im Plasma kein Gesamtstrom fließt.

Die dreidimensionale Struktur eines Stellarators führt allerdings zu spezifischen Effekten, die bei axialsymmetrischen Konfigurationen nicht auftreten und beim Design berücksichtigt werden müssen. So kann es anders als beim Tokamak vorkommen, dass die magnetischen Feldlinien nicht mehr überall auf ineinander verschachtelten Flächen laufen, sondern es können Formen auftreten, in denen die Feldlinien sich chaotisch verhalten. Da dies sich negativ auf den Einschluss des Plasmas auswirken kann, ist die Maschine so zu entwerfen, dass diese Gebiete möglichst klein werden.

Klassifizierung

Je nach Aufbau unterscheidet man mehrere Typen bzw. Eigenschaften von Stellaratoren:

Klassischer Stellarator: 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 (Bsp.: 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 (Bsp.: 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 (Bsp.: TJ-II).

Optimierter Stellarator: Aufgrund ihrer dreidimensionalen Geometrie bieten Stellaratoren ein hohes Maß an Freiheit in ihrem Design. Diese Freiheit wird bei modernen Stellaratoren ausgenutzt, um die Maschine in Hinblick auf gewisse Kriterien zu optimieren. Dabei wird die Form des Stellarators unter Verwendung von numerischen Optimierungsalgorithmen so lange verändert bis ein Satz vorher aufgestellter Bedingungen erfüllt ist, die Forderungen an das physikalische Verhalten des Stellarators darstellen (z. B. Stabilität des Plasmas gegenüber kleinen Störungen, guter Einschluss von Teilchen). Diese Vorgehensweise, die nur durch massiven Einsatz von Computern möglich ist, führt zu den sogenannten optimierten Stellaratoren. Es wird somit zuerst die Form des Plasmas berechnet und dann in einem zweiten Schritt das (modulare) Spulensystem welches das benötigte Magnetfeld erzeugt (Beispiele für optimierte Stellaratoren sind Wendelstein 7-X und NCSX). Eine neuere Entwicklung stellen Mischformen zwischen Tokamak und Stellarator dar. Diese haben sowohl eine dreidimensionale Geometrie als auch 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, da diese mit klassischen Spulensystemen im Allgemeinen nur schwer zu bauen sind. Auch im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Konstruierbarkeit sind modulare Spulensysteme häufig einem nichtmodularen Spulensystem überlegen.

Stellaratorexperimente

• Wendelstein 7-AS
• Wendelstein 7-X
• http://www.lhd.nifs.ac.jp/en/home/lhd.html - Large Helical Device (LHD), größte in Betrieb befindliche helikale Anlage.