Mikrowellenheizung - ECRH

Die Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Heizung (ECRH) strahlt Mikrowellen mit genau der Frequenz in das Plasma ein, mit der die Elektronen auf ihren Schraubenbahnen um die Magnetfeldlinien umlaufen. Die Mikrowellen werden daher von den Plasma-Elektronen absorbiert und heizen das Plasma dadurch auf.

 

Da diese sogenannte Zyklotron-Frequenz vom Magnetfeld und damit vom Ort im Plasma abhängt, kann man die Heizenergie sehr gezielt deponieren und so zum Beispiel die Temperaturverteilung im Plasma beeinflussen. Lenkt man die Mikrowellen etwa über Spiegel schräg  – also nicht genau senkrecht – zu den Magnetfeldlinien, können außerdem lokale Ströme im Plasma getrieben werden, durch die wiederum das Magnetfeld gezielt und sehr präzise beeinflusst wird.

Die ECRH ist das vorherrschende Heizsystem des Wendelstein 7-X und das einzige, das bereits jetzt in der Lage ist, ein Plasma im Dauerbetrieb zu heizen. Dazu wurden unter Federführung des Karlsruher Instituts für Technologie Hoch­leistungs-Mikrowellensender – Gyrotrons – mit einer Heizleistung von jeweils knapp 1 MW entwickelt und für einen halbstündigen Plasmabetrieb getestet. Die Entwicklung eines entsprechenden 1,5 MW-Langpuls-Gyrotrons wird derzeit vorbereitet. Vorgesehen sind im Endausbau zehn bis zwölf solcher Einheiten mit einer angestrebten Gesamtleistung bis 15 MW.

Zur zweiten Experimentierphase (OP1.2) standen zehn Gyrotrons bereit, die eine Maximalleistung von etwa 7,5 MW im Plasma deponieren konnten.

Die für das 2,5 Tesla starke Magnetfeld des Wendelstein 7-X benötigte Mikrowellenfrequenz beträgt 140 GHz; das entspricht einer Wellenlänge von 2 mm. Während in der Messtechnik diese Wellenlängen meist über Hohlleiter transportiert werden, wurde für Wendelstein 7-X zusammen mit der Universität Stuttgart eine quasi-optische Übertragungsleitung mit insgesamt – d.h. für alle zehn Stahlen – 140 Metallspiegeln entwickelt. Sie werden wegen der hohen Mikrowellenleistungen im Dauerbetrieb mit Wasser gekühlt. Da die Mikrowellen-Strahlen andererseits in Luft nahezu verlustfrei transportiert werden, sind die Gyrotrons und ihre Versorgungseinrichtungen in einem Nebengebäude untergebracht.