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Versuche zur Kernfusion in Greifswald Physiker erzeugen Weltrekord-Plasma

Autor / 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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Blick in das Plasmagefäß der Fusionsanlage Wendelstein 7-X
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.

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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.

Fortschritt auf dem Weg zum brennenden Plasma

Die Verbesserungen an Wendelstein 7-X haben es ermöglicht, dass ein neuer Rekordwert für das „Fusionsprodukt“ erzielt wurde. Dieses Produkt aus Ionentemperatur, Plasmadichte und Energieeinschlusszeit gibt an, wie nahe man den Reaktorwerten für ein brennendes Plasma kommt – etwa 2 x 1029 Grad Celsius mal Sekunde pro Kubikmeter.

Bei rund 40 Millionen Grad Ionentemperatur und einer Dichte von 0,8 x 1020 Teilchen pro Kubikmeter hat Wendelstein 7-X ein Fusionsprodukt von gut 6 x 1026 Grad Celsius mal Sekunde pro Kubikmeter erreicht – weltweiter Stellarator-Rekord. „Dies ist ein für die Größe der Maschine ausgezeichneter Wert, der zudem unter realistischen Bedingungen, d.h. bei hoher Temperatur der Plasma-Ionen erreicht wurde“, so Pedersen.

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Auch die erzielte Energieeinschlusszeit – ein Maß für die Güte der Wärmeisolation des magnetisch eingeschlossenen Plasmas – deute mit beachtlichen 200 Millisekunden darauf hin, dass die Wendelstein 7-X zugrundeliegende rechnerische Optimierung greift, sagt der Wissenschaftler.

Unerwünschter Bootstrap-Strom reduziert

Dass die Optimierung nicht nur bezüglich der Wärmeisolation Wirkung zeigt, belegt die jetzt abgeschlossene Auswertung von Messdaten aus der ersten Experimentierkampagne von Dezember 2015 bis März 2016. Sie zeigt, dass sich auch der so genannte Bootstrap-Strom wie gewünscht verhält. Dieser elektrische Strom wird von Druckunterschieden im Plasma hervorgerufen und könnte das maßgeschneiderte Magnetfeld verformen. Teilchen aus dem Plasmarand träfen dann nicht mehr an den richtigen Stellen auf den Divertor auf. Der Bootstrap-Strom sollte in Stellaratoren daher so klein wie möglich sein.

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Dass dies in der optimierten Feldgeometrie von Wendelstein 7-X tatsächlich gelungen ist, hat die Analyse nun bestätigt. „Damit konnte bereits die erste Experimentkampagne wichtige Aspekte der Optimierung verifizieren“, sagt Erstautor Dr. Andreas Dinklage: „Eine genauere und systematische Evaluierung wird in künftigen Experimenten bei deutlich höherer Heizleistung und höherem Plasmadruck folgen“.

Nächster Schritt: Entladungen für eine halbe Stunde

Seit Ende 2017 liefen an Wendelstein 7-X weitere Ausbauten: Unter anderem wurden neue Messgeräte und Heizsysteme installiert. Im Juli dieses Jahres sollen die Plasmaexperimente wieder beginnen. Ab Herbst 2018 ist dann ein größerer Ausbau geplant: Die jetzigen Graphitkacheln des Divertors werden durch kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoff-Elemente ersetzt, die zusätzlich wassergekühlt sind. Sie sollen bis zu 30 Minuten lange Entladungen möglich machen, in denen überprüft werden kann, ob Wendelstein 7-X seine Optimierungsziele auch dauerhaft erfüllt.

Originalpublikation: Andreas Dinklage et al.: Magnetic configuration effects on the Wendelstein 7-X stellarator.. Nature Physics, 21. Mai 2018, DOI:10.1038/s41567-018-0141-9

* I. Milch, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, 17491 Greifswald

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