Plasmaphysik mit Wendelstein 7-X

Bis Fusionsreaktoren tatsächlich Energie erzeugen werden, liegt noch ein weiter Weg vor Wissenschaftlern. Mit der Anlage Wendelstein 7-X wollen sie nun erforschen, wie sich ein Reaktor im Dauerbetrieb verhält. Nach 15-jährigen Konstruktions- und Bauarbeiten wird Wendelstein 7-X noch im Dezember offiziell in Betrieb gehen.

In Fusionsreaktoren wollen Forscher eines Tages durch die Verschmelzung von leichten Wasserstoffatomkernen Energie erzeugen. Diese Kernfusion lässt auf eine saubere, hocheffiziente und schier unerschöpfliche Energiequelle hoffen – schließlich ist Wasserstoff im Überfluss vorhanden. Ein einziges Gramm Wasserstoff könnte prinzipiell 90 000 Kilowattstunden an Energie liefern und damit elf Tonnen Kohle ersetzen. Allerdings gibt es ein solches Kraftwerk bislang nur an einem einzigen Ort in unserem Sonnensystem: im Inneren der Sonne. Dort herrschen so extreme Drücke und Temperaturen, dass Wasserstoffkerne miteinander zur Heliumkernen fusionieren. Die durch diese Fusionsprozesse freigesetzte Energie lässt die Sonne seit Jahrmilliarden erstrahlen und ermöglicht das Leben auf unserer Erde.

Die nötigen Bedingungen für Kernfusionen im Labor zu schaffen, ist nicht einfach – seit Jahrzehnten suchen Forscher bereits nach geeigneten Ansätzen. „Es gibt eine Art weltweite Arbeitsteilung“, berichtet Thomas Klinger vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald. Hier soll die neue Experimentieranlage Wendelstein 7-X nach 15-jähriger Bauzeit noch im Dezember offiziell in Betrieb gehen. Etwa zweihundert Wissenschaftler sind an diesem Großexperiment beteiligt und noch einmal so viele Ingenieure und Techniker.

Extreme Bedingungen

An Wendelstein 7-X wird zwar Fusionsforschung betrieben, doch Fusionsreaktionen werden darin nie stattfinden. „Dafür wird das ITER-Experiment in Frankreich verantwortlich sein, das sich seit 2007 im Bau befindet“, bestätigt Klinger. „Unsere Aufgabe hingegen ist es, zu zeigen, dass wir ein Hochtemperaturplasma mit einem Magnetfeld optimal – also bestens wärmeisoliert, stabil und im Dauerbetrieb – einschließen können.“ Gelingt diese Aufgabe, wäre eine wichtige Grundvoraussetzung für einen künftigen Fusionsreaktor erfüllt. Denn damit die positiv geladenen Atomkerne ihre elektromagnetischen Abstoßungskräfte überwinden und miteinander verschmelzen, müssen Temperaturen von über 100 Millionen Grad herrschen.

Experimenthalle in Greifswald

In diesem Temperaturbereich geht Materie in einen Plasmazustand über: Die negativ geladenen Elektronen lösen sich aus der Atomhülle und bilden mit den nun ungebundenen Atomkernen ein heißes, elektrisch geladenes Teilchengemisch. Um ein solches Plasma stabil einzusperren, genügt kein gewöhnlicher Behälter. Das Vakuumgefäß von Wendelstein 7-X, das das Plasma einschließt, hat einen Durchmesser von 16 Metern und ermöglicht so ein Plasmavolumen von rund dreißig Kubikmetern. Allerdings darf das Plasma nicht mit den Wänden dieses Gefäßes in Berührung kommen, denn bei jedem Kontakt mit der Wand würden die Teilchen an Energie verlieren. Elektronen und Atomkerne würden dadurch so weit abkühlen, dass sie wieder zu elektrisch neutraler Materie rekombinieren.

Eine Lösung für dieses Problem bieten sogenannte Magnetfeldkäfige. Da das Plasma elektrisch leitend ist, lässt es sich nämlich von elektrischen und magnetischen Feldern beeinflussen. In einem Magnetfeld können sich die Atomkerne und Elektronen beispielsweise nur längs der Magnetfeldlinien frei bewegen. Das machen sich Wissenschaftler zunutze: Sie erzeugen Magnetfelder mit ring- und schraubenförmig gewundenen Feldlinien, die eine Art Käfig formen, aus dem keines der geladenen Teilchen so leicht entweichen kann. Solche Magnetfeldkäfige lassen sich auf verschiedene Weisen realisieren. ITER zählt beispielsweise zu Anlagen des Typs „Tokamak“, in dem das Magnetfeld von äußeren Spulen sowie einem durch das Plasma fließenden elektrischen Strom erzeugt wird.

Bei Wendelstein 7-X handelt es sich dagegen um einen sogenannten Stellarator. „Tokamaks benötigen zum Einschließen des Plasmas einen starken Strom von mehreren Millionen Ampère“, sagt Klinger. „Beim Stellarator hingegen wird das einschließende Magnetfeld allein durch die äußeren Spulen erzeugt. Ohne den starken Strom ist das Plasma stabiler.“ Um diese Stabilität zu erreichen, müssen die das Magnetfeld erzeugenden Spulen allerdings eine komplexe Geometrie aufweisen. „Das auffällige Merkmal von Wendelstein 7-X sind die nichtplanaren Spulen“, erläutert Klinger. „Insgesamt ist das Vakuumgefäß von fünfzig solcher zusammengesetzten Spulen umgeben.“

Aufbau der Magnetspulen

Mithilfe von Hochleistungsrechnern fanden die Wissenschaftler heraus, wie diese Spulen aussehen müssen, beschreibt Thomas Klinger: „Wir sind von den physikalischen Grundgleichungen ausgegangen und haben dann die Form unseres Magnetfelds berechnet, um den Einschluss des Plasmas zu optimieren. Anschließend ergab sich daraus die Form der Spulen.“ Mit dem von Klinger und seinen Kollegen entwickelten Stellarator scheint erstmals ein Dauerbetrieb möglich. „Mit Wendelstein 7-X können wir unser Plasma stationär aufbauen und für eine halbe Stunde aufrecht erhalten“, berichtet Klinger. „Damit brechen wir in eine neue Welt auf, denn das ist erheblich mehr als der jetzige weltweite Standard, der bei einigen zehn Sekunden liegt.“ Klinger ist sich sicher, dass Wendelstein 7-X die passenden Testbedingungen für einen Fusionsreaktor liefern wird: „Wenn man eine halbe Stunde geschafft hat, sind auch 24 Stunden oder 300 Tage kein Problem.“

Alles auf Start

Nach neunjähriger Bauzeit wurde Wendelstein 7-X im Jahr 2014 fertiggestellt. Die Vorbereitungen für die Betriebsphase wurden im Juli 2015 mit erfolgreichen Messungen des Magnetfeldkäfigs abgeschlossen. Somit ist nun alles bereit für die Erzeugung des ersten Plasmas. Thomas Klinger beschreibt den Vorgang: „Als Erstes fahren wir die Magnete hoch, indem wir 18 500 Ampère an Strom durch die Spulen schicken. Anschließend lassen wir Wasserstoffgas ein, das sich in der Kammer ausbreitet.“ Spezielle elektromagnetische Wellen ionisieren dieses Gas anschließend. „Das geht sehr schnell“, so Klinger. „Innerhalb von einigen zehn bis hundert Millisekunden bauen wir ein stabiles Plasma auf.“ Mithilfe der so erzeugten Plasmen wollen die Forscher eine Reihe wissenschaftlicher Fragestellungen beantworten.

„Zunächst wollen wir uns damit beschäftigen, wie gut der magnetische Einschluss selbst ist, also wie wir mit moderater Leistung die nötigen hohen Temperaturen von bis zu sechzig Millionen Grad erreichen können“, erklärt Klinger. Darüber hinaus wollen Klinger und seine Kollegen untersuchen, inwiefern sich verschiedene Faktoren störend auf das Plasma auswirken. So können beispielsweise Verunreinigungen innerhalb der Anlage oder Turbulenzen am Rand des Magnetfeldkäfigs zu einem Energieverlust im Plasma führen. Diese Probleme gilt es erst zu lösen, bevor Wissenschaftler anfangen können, einen Fusionsreaktor zur Energiegewinnung zu entwerfen.

„Wendelstein 7-X ist von der Größe so gewählt, dass wir vernünftige Aussagen über einen Reaktor machen können, ohne es als Reaktor zu betreiben“, begründet Klinger. Er rechnet mit einer Laufzeit von mindestens zwanzig Jahren für die Anlage: „Bevor wir Kernfusionsreaktoren bauen, müssen wir erst die Plasmaphysik in den Griff bekommen.“