Kernfusion: 90.000 kWh Wärmeenergie aus 1 Gramm Helium­-Tritium­-Gemisch

Kernfusion – Eine neue Form der Energieerzeugung

Diese Fusionsreaktion läuft in einem extrem dünnen, heißen Gas ab; wegen des geringen Drucks lässt sie sich leichter technisch umsetzen. Al­lerdings sind dafür noch höhere Tem­peraturen als in der Sonne nötig, näm­lich weit über 100 Millionen Grad. In einem solchen Hochtemperaturplasma sind Elektronen und Atomkerne voll­kommen voneinander getrennt. Beide sind elektrisch geladen, deshalb kann ein starkes Magnetfeld sie einschließen – wie eine immaterielle Thermoskanne. Und das ist der Trick, auf den die Forschung setzt.

Im Plasmagefäß eines zukünftigen Fusionskraftwerks wäre nur etwa ein Gramm des Helium­-Tritium­-Gemischs enthalten. Dieses Fast-­Nichts an Brenn­stoff könnte 90 000 Kilowattstunden an Wärmeenergie produzieren. Das ent­spricht der Verbrennungwärme von elf Tonnen Kohle, die aber über 30 Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre bla­sen, wenn sie verfeuert werden. Fusions­kraftwerke dagegen wären im Betrieb klimaneutral. Neben dem extrem gerin­gen Brennstoffverbrauch ist dies das große Zukunftsversprechen in einem Jahrhundert, in dem der Klimawandel unser Leben zunehmend bestimmt.

Die Aussicht auf eine klimafreund­liche Energiequelle dürfte auch der Grund sein, warum Robert Habeck, Bundesvorsitzender von Bündnis 90/Die Grünen sich für die Forschung of­fen zeigte, als er Wendelstein 7­-X kürz­lich besuchte. Bei der Grundsteinlegung für die Anlage 1997 hatten Anhänger der Partei noch dagegen protestiert. „Heute beschreiben wir die Atomfusion unideologischer“, sagte Habeck. Die Grundlagenforschung sei faszinierend und sollte vorangetrieben werden. „Es ist grundsätzlich richtig, Alternativen in der Energieversorgung zu erforschen.“

Fusionsenergie sei die einzig neue Form primärer Energieerzeugung, an der die Menschheit forscht, betont Thomas Klinger: „Sie ist gewissermaßen das letz­te noch ungeöffnete Energiefass.“ Als wolle die Sonne diese Feststellung un­terstreichen, leuchtet sie warm ins Zim­mer des Max­-Planck­-Direktors, der den Greifswalder Standort des Max-­Planck­-Instituts für Plasmaphysik leitet. Der drahtige Physikprofessor wirkt, als kön­ne er jederzeit aufspringen und zum Schraubenschlüssel greifen. Tatsächlich schlüpft der Grundlagenforscher zeit­weilig in die Rolle eines Baustellenlei­ters, und zwar auf einer sehr komple­xen Baustelle. Denn die Greifswalder Forscher müssen sich Stück für Stück in technisches Neuland vorarbeiten.

Keine kerntechnische Anlage

Wendelstein 7­-X selbst ist allerdings keine kerntechnische Anlage und nicht für eine Kernfusion konstruiert. In dem Experiment studieren Physiker das Ver­halten des heißen Plasmas in einem Stellarator und verwenden dafür leich­ten Wasserstoff. Ein Stellarator ist einer der beiden Typen von Fusionsanlagen, die derzeit erforscht werden. Die Greifs­walder Sternenmaschine soll – als das bislang größte Stellarator­-Experiment – demonstrieren, dass solche Anlagen grundsätzlich ein heißes Plasma ausrei­chend effizient und dauerhaft einschließen können. Das würde den Weg zu einem Fusionskraftwerk nach die­sem technischen Prinzip eröffnen.

Gerade wird Wendelstein 7­-X für die nächste Messkampagne umgerüstet, drei Kampagnen von je 15 Wochen hat die Anlage schon hinter sich. Am 10. De­zember 2015 leuchtete das erste Plasma aus einem tausendstel Gramm Helium bei einer Million Grad auf – das Helium sollte als Putzmittel Verunreinigungen aus dem Plasmagefäß entfernen. Das ist wichtig, weil Wasserstoffplasmen hoch­ empfindlich sind. Am 3. Februar 2016 erzeugten die Greifswalder Forscher – im Beisein von Bundeskanzlerin Angela Merkel – dann zum ersten Mal ein Plas­ma aus Wasserstoff.

Das erste Wasserstoffplasma: Von Bundeskanzlerin Angela Merkel am 3. Februar 2016 gezündet, brannte es eine Viertelsekunde und erreichte rund 80 Millionen Grad – Bild © IPP.

Geheizt wird das Plasma mit ver­schiedenen Techniken. Die Elektronen lassen sich mit einer kräftigen Mikro­wellenstrahlung in Schwung bringen – eine hohe Temperatur bedeutet nichts anderes als schnelle Bewegung der Teilchen. Da die Elektronensuppe im Plas­ma sich mit den Wasserstoffkernen durchmischt, erwärmt sie auch diese mit. Als zweite Heizmethode testen die Greifswalder das Einschießen von schnellen Wasserstoffatomen ins Plas­ma. Die Protonen sollen zukünftig auch direkt über eine starke Radiostrahlung geheizt werden.

Schon jetzt hat Wendelstein 7-­X ei­nige Rekorde gebrochen, die andere Plasmaexperimente des Stellarator-­Typs aufgestellt hatten. Dazu gehörten nahe­zu halbminütige Entladungen mit einer Plasmatemperatur von weit über 40 Mil­lionen Grad Celsius. In anderen Entla­dungen bei niedriger Dichte erreichten die Elektronen sogar eine Temperatur von 100 Millionen Grad. Das war auch das technische Maximum in dieser Aus­baustufe, denn bisher wurden die Wän­de des Plasmaexperiments nicht aktiv gekühlt. Daher heizt sich das Innere von Wendelstein 7-­X auf, zum einen durch die Wärmestrahlung des Plasmas, zum anderen durch auf die Wand prallende, heiße Teilchen, die dem Magnetkäfig entkommen. So musste sich das Plasma­gefäß nach längeren Entladungen für den nächsten Schuss erst einmal etwa eine Viertelstunde lang abkühlen.

Physiker und auch mal Bauleiter: Thomas Klinger ist für die Plasmaforschung in Greifswald verantwortlich und hat den Bau von Wendelstein 7-X begleitet – Foto © Achim Multhaupt

Derzeit ruht die Anlage für ungefähr zwei Jahre, damit das Greifswalder Team eine aktive Wasserkühlung einbauen kann. Damit soll Wendelstein 7­-X halb­stündige Plasmaentladungen bei sehr hohen Temperaturen verkraften. „Eine Wasserkühlung klingt banal“, sagt Klin­ger, „bedeutet aber bei uns, unter extre­men Qualitätsanforderungen zu klemp­nern.“ Da jedes der Hitze ausgesetzte Teil des Plasmagefäßes an das Kühlsys­tem angeschlossen werden muss, sind insgesamt vier Kilometer Wasserleitun­gen nötig. „Das ist sehr viel verzweigtes Wasser“, sagt Klinger.

Folgt: Divertor zapft Fusionswärme aus Plasma ab