Physiker erzeugen Weltrekord-Plasma

Versuche zur Kernfusion in Greifswald Physiker erzeugen Weltrekord-Plasma

26.06.2018Autor / Redakteur: Isabella Milch* / Christian Lüttmann

Ein Blitz aus glühendem Plasma, gefangen in einer seltsam verdrillten Ringkonstruktion aus Magnetspulen. Dies ist die Versuchsanordnung, mit der Forscher am Max-Planck-Institut die Eignung von Kernfusionsreaktoren für die Energiegewinnung untersuchen. Nun haben sie einen Weltrekord aufgestellt: Mit nie zuvor erreichten Werten für das Fusionsprodukt sind sie dem Ziel der Energiegewinnung mittels Kernfusion ein Stück näher gekommen.

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Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Blick in das Plasmagefäß der Fusionsanlage Wendelstein 7-X
(Bild: IPP, Foto: Jan Michael Hosan)

Greifswald – Am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) steht eine Maschine, die unsere zukünftige Energiegewinnung verändern könnte: Wendelstein 7-X, die weltweit größte Fusionsanlage vom Typ Stellarator. Die ringförmige Konstruktion ist darauf optimiert, glühendes Plasma zu erzeugen und kontrolliert im Inneren des Reaktors zu halten. Dazu ist sie in sich verdrillt, ähnlich wie ein Möbiusband. Dank dieser gezielten Verdrillung kann ein erzeugtes Plasma über Magnetspulen in dem Reaktor kontrolliert werden.

Die Geometrie und Innenauskleidung von Wendelstein 7-X ist das Ergebnis sorgfältiger Optimierungsarbeit. Und sie hat sich gelohnt, wie nun die Forscher des IPP berichten: In der zurückliegenden Experimentierrunde hat Wendelstein 7-X höhere Temperaturen und Dichten des Plasmas, längere Pulse und den weltweiten Stellarator-Rekord für das Fusionsprodukt erreicht.

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Fusionsforschung – Verschmelzung von Atomkernen

Ziel der Fusionsforschung ist es, ein klima- und umweltfreundliches Kraftwerk zu entwickeln. Ähnlich wie die Sonne soll es aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnen. Weil das Fusionsfeuer erst bei Temperaturen über 100 Millionen Grad zündet, darf der Brennstoff – ein dünnes Wasserstoffplasma – nicht in Kontakt mit kalten Gefäßwänden kommen. Von Magnetfeldern gehalten, schwebt er nahezu berührungsfrei im Inneren einer Vakuumkammer.

Den magnetischen Käfig von Wendelstein 7-X erzeugt ein Ring aus 50 supraleitenden, etwa 3,5 Meter hohen Magnetspulen. Ihre speziellen Formen sind das Ergebnis ausgefeilter Optimierungsrechnungen. Obwohl Wendelstein 7-X keine Energie erzeugen wird, soll die Anlage beweisen, dass Stellaratoren kraftwerkstauglich sind. Mit Wendelstein 7-X soll die Qualität des Plasma-Einschlusses in einem Stellarator erstmals das Niveau der konkurrierenden Anlagen vom Typ Tokamak erreichen. Insbesondere soll die Anlage das wesentliche Plus der Stellaratoren vorführen, die Fähigkeit zum Dauerbetrieb.

Verbesserungen am Reaktor zeigen Wirkung

Im Unterschied zur ersten Experimentierrunde 2015/16 ist das Plasmagefäß von Wendelstein 7-X seit September letzten Jahres mit einer Innenverkleidung ausgerüstet: Kacheln aus Graphit bedecken jetzt die Gefäßwände und erlauben höhere Temperaturen und längere Plasmaentladungen.

Mit dem so genannten Divertor lässt sich darüber hinaus die Reinheit und Dichte des Plasmas regeln: In zehn breiten Streifen an der Wand des Plasmagefäßes folgen seine Kacheln der gewundenen Kontur des Plasmarandes. So schützen sie speziell die Wandbereiche, auf die entweichende Teilchen aus dem Rand des Plasmaringes gezielt gelenkt werden. Zusammen mit Verunreinigungen werden die auftreffenden Teilchen hier neutralisiert und abgepumpt.

Bildergalerie

Stellarator-Weltrekord für das „Fusionsprodukt“ in Wendelstein 7-X. Das Produkt aus Ionentemperatur, Plasmadichte und Energieeinschlusszeit gibt an, wie nahe man den Werten für ein brennendes Plasma kommt.

Das rechnerisch optimierte Magnetfeld (gelb) der Stellarator-Anlage Wendelstein 7-X in Greifswald. Es wird von speziell geformten Magnetspulen (blau) hergestellt.

Was die neue Innenverkleidung gebracht hat

„Die ersten Erfahrungen mit den neuen Wandelementen sind ausgesprochen positiv“, sagt Prof. Dr. Thomas Sunn Pedersen. Waren am Ende der ersten Kampagne Pulsdauern von sechs Sekunden zu erreichen, sind nun bis zu 26 Sekunden lange Plasmen möglich. Dabei konnten bis zu 75 Megajoule Heizenergie in das Plasma eingespeist werden – 18 Mal mehr als in der ersten Betriebsrunde ohne Divertor. Zum Vergleich: beim Verbrennen von einem Kilogramm Steinkohle werden rund 30 Megajoule Energie freigesetzt. Auch die Heizleistung des Plasmas konnte erhöht werden – eine Voraussetzung für hohe Plasmadichte.

Plasma im Stellarator; aus einem Milligramm Heliumgas erzeugten die Wissenschaftler für eine Zehntel Sekunde das Plasma. (Bild: Max-Planck für Plasmaphysik, IPP)

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