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

Kernfusionskonzepte im Vergleich

Im Vergleich zu Stellaratoren besitzen Tokamaks ein viel einfacher geformtes, perfekt ringförmiges Plasma. Allerdings muss darin ein starker Ringstrom flie­ßen, der das Plasma in seinem schlauch­förmigen Magnetfeld zusammenhält. Dieser Ringstrom führt zu zusätzlichen Turbulenzen im Plasma, die kontrolliert werden müssen. Zudem funktioniert ein Tokamak wie ein großer Transfor­mator, bei dem das Plasma eine Spule darstellt. Da der Plasmastrom nur ent­steht, wenn sich der Strom in der Spu­le verändert, wird an die Spule eine ge­pulste Spannung angelegt. Daher kann ein Tokamak nur pulsförmige Plasma­entladungen erzeugen, sodass die Anla­ge sich ständig ändernden Belastungen ausgesetzt ist.

„Die dauernden zyklischen Belastun­gen des Materials und die zyklischen Kräfte beim Hoch­ und Herunterfahren möchte man vermeiden“, erklärt Sibyl­le Günter, Direktorin am Max­-Planck­-Institut für Plasmaphysik. Daher wird international an Konzepten geforscht, mit denen die Pulse auf mehrere Stun­den verlängert werden oder sogar ein gleichförmiger, also stationärer Betrieb erreichbar ist. 2016 demonstrierte etwa ein Team des Garchinger IPP­-Standorts am dortigen Tokamak Asdex Upgrade, dass dies geht, indem der Plasmastrom von außen angetrieben wird. „In der zweiten Operationsperiode soll Iter sol­che Szenarien für einen stationären To­kamak­-Betrieb testen“, sagt Günter.

Ein Stellarator hingegen kommt als ein reiner Magnetkäfig ohne den star­ken Ringstrom aus und eignet sich von vorneherein für den Dauerbetrieb. Das macht Stellaratoren so interessant. In den ersten Jahrzehnten, in denen sie er­forscht wurden, bildete aber die kom­plizierte Form des Magnetfelds ein un­überwindliches Hindernis: Lange konn­ten die Anlagen nicht ausreichend hei­ße Plasmateilchen gefangen halten. Das änderte sich, als Theoretiker am Max­-Planck­-Institut für Plasmaphysik in Garching in den 1980er­-Jahren das Konzept des Advanced Stellarators, des fortgeschrittenen Stellarators, mit den komplex geformten modularen Spulen entwickelten. In den fortgeschrittenen Stellaratoren lassen sich nun die für den Start einer Kernfusionsreaktion nötigen Temperaturen erreichen. Dieser Durch­bruch gelang auch, weil die gestiegene Computerleistung erstmals eine genaue Berechnung der komplizierten Magnet­feldgeometrie ermöglichte.

In den ersten Durchgängen hat Wendelstein 7­-X bereits so viele neue Daten produziert, dass die Physikerin­nen und Physiker mit der Auswertung auch während des Umbaus gut beschäf­tigt sind. Sollte das Experiment mit der neuen Wasserkühlung das Ziel von halbstündigen Plasmaentladungen er­reichen, stellt sich die Frage, wann es ein erstes Fusionskraftwerk nach dem Stellarator­-Prinzip geben könnte. „Ge­ben Sie Wendelstein bis Mitte der Zwan­zigerjahre Zeit“, antwortet Klinger. „Der weitere Weg wird auch davon abhän­gen, welche Ergebnisse Iter liefert.“

Ein Hauptziel von Iter ist der Netto­energiegewinn aus der Fusion, Günter. Sie weist aber auch auf eine andere wichtige Frage hin, die Iter klären soll: Wie wird sich das entste­hende Fusionsprodukt – extrem schnell herumflitzende Heliumkerne – auf das Plasma auswirken? „Diese schnellen Heliumkerne können zum Beispiel auch Instabilitäten im Plasma anre­gen“, sagt sie: „Da gibt es ganz neue Physik zu erforschen, was ich persön­lich besonders spannend finde.“ Bis zur kommerziellen Nutzung der Fusions­energie liegt vor Forschern und Ingenieuren jedenfalls noch eine Marathon­strecke. Ob dabei der Stellarator oder der Tokamak am Ende das Rennen ma­chen wird, ist noch offen. Immerhin haben die Greifswalder Wissenschaftler das Stellarator­-Konzept aber schon jetzt ein gutes Stück vorangebracht.

Auf den Punkt gebracht

  • Die Kernfusion könnte eine völlig neue Möglichkeit eröffnen, Energie in Form von Wärme oder Strom zu erzeugen. Einen Ansatz, auf diese Weise das Sonnenfeuer auf die Erde zu holen, verfolgen Forscher des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik mit dem Stellarator Wendelstein 7-X.
  • Im Stellarator muss ein über 100 Millionen Grad heißes Plasma dauerhaft – im Experiment soll es eine halbe Stunde sein – im Käfig eines Magnetfelds eingeschlossen werden. In der derzeitigen Ausbaustufe konnte Wendelstein 7-X für jeweils eine halbe Minute mehr als 40 Millionen Grad heiße Plasmen erzeugen.
  • Anders als der konkurrierende Tokamak, der sich technisch leichter umsetzen lässt und bereits weiter gediehen ist, erlaubt der Stellarator von vorneherein einen Dauerbetrieb. Das würde die technische Nutzung erleichtern.

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