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

Divertor zapft Fusionswärme aus Plasma ab

Eine besondere Herausforderung ist da­bei das Hochvakuum, das bei Betrieb in der Plasmakammer herrschen muss. Die Greifswalder fürchten vor allem ganz kleine Lecks in den Wasserleitungen, die sich nur schwer aufspüren lassen. Eine „Tropfnase“, so Klinger, könne über ab­dampfendes Wasser bereits das Vakuum zerstören. Entsprechend hoch sind die Anforderungen beim Umbau.

Die größten technischen Ansprüche muss jedoch der Divertor erfüllen, der auf der Innenwand des Rings sitzt. Er besteht aus aneinandergereihten High­techplatten, die bei Betrieb in den Rand des heißen Plasmas hineinragen. Ent­sprechend hohe Temperaturen müssen sie aushalten. In einem zukünftigen Kraftwerk sollen ähnliche Platten jenen Anteil der Fusionswärme aus dem Plas­ma abzapfen, der über einen nach au­ßen führenden Wasserkreislauf Dampf­turbinen antreiben soll.

Durch die Prallplatten des Divertors laufen Wasserleitungen, die in einem Fusionskraftwerk Wärme aus dem Plasma zu Generatoren führen sollen. Der Divertor kühlt das Plasma aber nicht nur, an Helium-durchflossenen Kühlschlangen in seiner Wand frieren auch Verunreinigungen aus – Foto © IPP

Die Prallplatten des Divertors sind bei Betrieb einem gewaltigen Wärme­strom von rund 10 Megawatt pro Qua­dratmeter ausgesetzt – was etwa der Heizleistung von 4000 typischen Mik­rowellen­-Küchengeräten entspricht. „Das ist so ungefähr das Höchste, was heute bekannte Materialien aushalten können“, erklärt Klinger. Es gleicht den Verhältnissen, denen ein Raumfahr­zeug beim Wiedereintritt in die Erdat­mosphäre ausgesetzt ist, wo ebenfalls ein heißes, leuchtendes Plasma ent­steht. Die Prallplatten des Divertors be­stehen deshalb aus demselben Material wie die Hitzekacheln auf der Untersei­te der früheren amerikanischen Space­shuttles: aus Kohlenstoff, in den Kohle­fasern eingebettet sind.

Die Kohlefasern sorgen zum einen für die mechanische Stabilität des Ver­bundwerkstoffs, zum anderen trans­portieren sie die Wärme in Richtung Gefäßwand. Anders als beim Space­shuttle während der Eintrittsphase müs­sen sie aber nicht nur wenige Minuten durchhalten, sondern gut eine halbe Stunde. Aus diesem Grund muss der neue Divertor, der nun eingebaut wird, Wärme zwischen den Prallplatten und der wassergekühlten Wand extrem gut leiten. Dafür haben die Greifswalder Forscher zusammen mit Industriepart­nern eine vollkommen neue Verbin­dungstechnik entwickelt.

Doch die Wärmeabfuhr ist nur eine von mehreren Funktionen des Diver­tors. Darüber hinaus soll er das Plasma sauberhalten und wie ein Staubsauger für Verunreinigungen wirken. Diese entstehen beim unvermeidlichen Kon­takt des dünnen Plasma-­Außenbereichs mit der Wand. Verunreinigungen, die in das heiße Plasma gelangen und dort zum Leuchten angeregt werden, entzie­hen dem Plasma unerwünscht Energie. Schon ein kleiner Wärmestrom dieser Art kann das dünne Plasma entschei­dend abkühlen.

Der Bau – ein riesiges dreidimensionales Puzzle

Darüber hinaus hilft der Divertor, die Anzahl der Wasserstoffteilchen unter Kontrolle zu halten. Daher ist unter den Divertorprallplatten eine sogenannte Kryopumpe in die Wand eingebaut. Eine solche Kältepumpe funktioniert im Prinzip wie eine kalte Getränkedose, die im Sommer mit Wasser aus der Luft beschlägt, sobald man sie aus dem Kühl­schrank geholt hat. Allerdings wird die­se Greifswalder Pumpe mit flüssigem Helium gekühlt, das eine Temperatur von minus 269 Grad Celsius hat. „Dann bleiben dort alle kleinen Teilchen kle­ben“, sagt Klinger. Die Kryopumpe er­fordert aber, dass das Greifswalder Team zwischen den Wasserleitungen zusätz­lich die Leitungen für das flüssige Heli­um unterbringen muss.

Mit flüssigem Helium werden auch die großen supraleitenden Spulen gekühlt, die das starke Magnetfeld für den Plas­maeinschluss erzeugen. 70 dieser Spu­len sind auf der gesamten Plasmakam­mer aufgefädelt, wie Armreife an einem Handgelenk. Die meisten der Spulen besitzen eine kompliziert gewundene Geometrie und erzeugen so ein mehr­fach in sich verschraubtes Magnetfeld. Dieses Feld zwingt möglichst viele der herumflitzenden Wasserstoffkerne und Elektronen auf magnetische Achterbah­nen, die sie immer wieder zurück ins In­nere des heißen Plasmas schleudern. Es sollen ja möglichst wenige heiße Teil­chen entkommen.

Nicht nur wegen der individuell ge­formten Spulen ähnelte der Bau von Wendelstein 7­-X einem riesigen, drei­dimensionalen Puzzle, in dem tonnen­schwere Einzelteile extrem präzise zu­sammengefügt werden mussten. Zu­nächst baute das Greifswalder Team mit seinen Partnern fünf jeweils 120 Ton­nen schwere Module auf. Danach füg­ten die Monteure diese mithilfe der De­ckenkräne in der Halle zum Torus des Plasmagefäßes zusammen. Die Zahl der Module hängt von der Form des Plas­mas ab. „Wenn wir von oben drauf­ schauen könnten, wäre es ein Fünfeck mit abgerundeten Ecken“, erklärt Mat­thias Hirsch während seiner Führung.

Das komplexe Magnetfeld macht das Stellarator­-Konzept komplizierter als das konkurrierende Tokamak­-Prin­zip, nach dem auch die große Iter-­Anla­ge im französischen Cadarache gebaut wird. Tokomaks sind wesentlich einfacher konstruiert, weshalb sie schon wei­ter entwickelt sind. Die europäische For­schungsanlage Joint European Torus (Jet) in der britischen Stadt Culham er­reichte bereits 1991 die erste, kurze kon­trollierte Kernfusion in einem Plasma aus Deuterium und Tritium. In Iter soll die Fusion erstmals mehr Leistung lie­fern, als das Heizen des Plasmas erfor­dert. Mit diesem Nettoenergiegewinn soll die Vorstufe zum ersten Demons­trationskraftwerk erreicht werden.

Folgt: Kernfusionskonzepte im Vergleich