Etappensieg auf einem Weg zur Kernfusion

Wendelstein 7-X zeigt, dass sich Energieverluste in Fusionsanlagen des Stellaratortyps deutlich reduzieren lassen

18. August 2021

Mit der Kernfusion könnte sich eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle auftun. Um sie anzuzapfen, verfolgen Forschende verschiedene Ansätze. Auf einem der Wege, den sie mit der Fusionsanlage Wendelstein 7-X im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald beschreiten, haben sie nun ein Zwischenziel erreicht. Sie haben den Magnetkäfig, in dem das Fusionsplasma eingeschlossen werden soll, in dieser Anlage so optimiert, dass Energieverluste im Vergleich zu früheren Anlagen desselben Typs deutlich minimiert werden. Damit erfüllt diese Bauart einer Fusionsanlage, die Stellarator genannt wird, eine Voraussetzung, um künftig einmal als Kraftwerk realisiert zu werden.

Ein Labyrinth der Technik: Verborgen unter einem Gewirr von Leitungen, Stutzen und Gängen liegt die Plasmakammer von Wendelstein 7-X. Bild vergrößern
Ein Labyrinth der Technik: Verborgen unter einem Gewirr von Leitungen, Stutzen und Gängen liegt die Plasmakammer von Wendelstein 7-X. [weniger]

Stellarator versus Tokamak – das ist eines der Rennen zu dem Ziel, mit der Kernfusion auf klimafreundliche Weise Strom zu erzeugen. Die beiden Typen von Fusionsanlagen unterscheiden sich in der Art, wie sie das Magnetfeld erzeugen, mit dem das über 100 Millionen Grad Celsius heiße Fusionsplasma eingeschlossen werden muss, weil solche Temperaturen kein Material aushalten würde. Beide Typen weisen dabei unterschiedliche Vor- und Nachteile auf. Mit Wendelstein 7-x haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Greifswald aber offenbar einen Nachteil, den Stellaratoren bislang hatten, überwunden. Mit geschicktem Design sowie großem Theorie- und Rechenaufwand planten sie den Magnetkäfig von Wendelstein 7-x so, dass daraus deutlich weniger Teilchen entwischen und damit viel weniger Energie verloren geht als in früheren Stellaratoren. Damit ist mit Wendelstein 7-x auch einen Schritt hin zu einer Anlage gelungen, die mehr Energie erzeugen kann als für den Magneteinschluss und die Heizung des Plasmas nötig ist.

Praxistauglich: ein Energieverlust von nur 30 Prozent

Anders als bei einem Tokamak, bei dem der sogenannte neoklassische Teilchen- und Energieverlust kein großes Problem darstellt, war er bei Stellaratoren bislang ein ernster Schwachpunkt. Er lässt die Verluste mit steigender Plasmatemperatur so stark anwachsen, dass ein auf dieser Basis geplantes Kraftwerk sehr groß und damit sehr teuer sein müsste, um unterm Strich Energie zu liefern.

Das Magnet-System von Wendelstein 7-X: 50 supraleitende Magnetspulen erzeugen den magnetischen Käfig zum Einschluss des Plasmas. Die gewundenen Spulen Bild vergrößern
Das Magnet-System von Wendelstein 7-X: 50 supraleitende Magnetspulen erzeugen den magnetischen Käfig zum Einschluss des Plasmas. Die gewundenen Spulenformen sind Ergebnis der rechnerischen Optimierung. [weniger]

Bei Wendelstein 7-x zehren die neoklassischen Verluste nun nur noch 30 Prozent der Heizleistung auf. Damit sind die Einbußen so weit reduziert, dass ein Stellarator in dieser Hinsicht praxistauglich wird. Das stellte ein Team um Craig Beidler, Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik fest, als es ein Plasma von Wendelstein 7-x eingehender analysierte. Die Anlage hat bei der Qualität der Plasmen bereits einen Weltrekord für Stellaratoren aufgestellt. Die Güte eines Plasmas ermessen Physiker anhand des Fusionsprodukts aus Temperatur, Plasmadichte und Energieeinschlusszeit. An dem Wert lässt sich ablesen, wie nahe eine Anlage einem brennenden, als Energie erzeugenden Plasma kommt.

Ein Gedankenexperiment zeigt den Erfolg von Wendelstein 7-x

Die Wirkung der neoklassischen Optimierung von Wendelstein 7-X zeigten die Forschenden nun mit einem Gedankenexperiment: Sie nahmen an, dass eine Anlage mit weniger optimiertem magnetischen Feld die gleichen Plasmawerte und –profile erreicht, die bei Wendelstein 7-X zu einem Rekordergebnis führten. Dann berechneten sie die neoklassischen Verluste, die in einer solchen Anlage zu erwarten wären – mit eindeutigem Ergebnis: Sie wären größer als die Heizleistung, was eine physikalische Unmöglichkeit ist. „Dies zeigt, dass die in Wendelstein 7-X beobachteten Plasmaprofile nur in Magnetfeldern mit geringen neoklassischen Verlusten denkbar sind“, sagt Per Helander, Direktor der Abteilung Stellarator-Theorie am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik. „Umgekehrt ist damit bewiesen, dass die Optimierung des Wendelstein-Magnetfeldes die neoklassischen Verluste erfolgreich absenkt“.

Allerdings dauerten die Plasmaentladungen in Wendelstein 7-x bislang nur kurz. Um die Leistungsfähigkeit des Wendelstein-Konzeptes im Dauerbetrieb zu testen, wird zurzeit eine wassergekühlte Wandverkleidung eingebaut. So ausgerüstet, wird man sich schrittweise an 30 Minuten lange Plasmen heranarbeiten. Dann lässt sich überprüfen, ob die Anlage ihre Optimierungsziele auch im Dauerbetrieb – dem wesentlichen Vorteil von Stellaratoren gegenüber Tokamaks – erfüllen kann.

Hintergrund zur Kernfusion

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 Magnetspulen. Ihre speziellen Formen sind das Ergebnis ausgefeilter Optimierungsrechnungen. Mit ihrer Hilfe soll die Qualität des Plasma­einschlusses in einem Stellarator das Niveau der konkurrierenden Anlagen vom Typ Tokamak erreichen.                

IM/PH
 

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