Sonnenfeuer auf verschlungenen Bahnen Am Donnerstag hat in Greifswald der Fusionsforschungsreaktor Wendelstein 7-X den Testbetrieb aufgenommen. An ihm wird sich zeigen, ob das Stellarator-Konzept eine Zukunft hat.

Das erste Plasma in Wendelstein 7-X. Es erreichte eine Temperatur von einer Million Grad Celsius. (Bild: IPP)

Unerschöpfliche Energie zu bezahlbaren Preisen: Das verspricht die Fusionsforschung nun schon seit einem halben Jahrhundert. Die Idee hinter der Kernfusion besteht darin, die Prozesse nachzuahmen, die unsere Sonne und alle anderen Sterne zum Leuchten bringen. Im Zentrum von Sternen verschmelzen bei enormen Drücken und Temperaturen die Kerne von Wasserstoffatomen zu Helium. Dabei werden riesige Mengen an Energie frei. Wenn es gelänge, diese Prozesse kontrolliert in einem Reaktor durchzuführen, könnte man auf klimafreundliche Weise aus einem Kilogramm Wasserstoff mehr Energie erzeugen, als bei der Verbrennung von 1000 Tonnen Kohle frei wird. In den Weltmeeren ist für Fusionszwecke praktisch unermesslich viel Energie gespeichert.

Eigenwilliges Design

In Greifswald im deutschen Bundesland Mecklenburg-Vorpommern hat am Donnerstag die erste Betriebsphase für Wendelstein 7-X begonnen. Der Fusionsreaktor, dessen Bau neun Jahre gedauert und 370 Millionen Euro gekostet hat, unterscheidet sich von seinem Design her drastisch von den bisherigen Forschungsreaktoren. Auf dem Papier besitzt der als Stellarator bekannte Reaktortyp interessante Eigenschaften. Allerdings ist er auch bekannt dafür, sehr hohe Ansprüche an die Techniker zu stellen, die ein solches Gerät bauen müssen.

Ein Blick ins Innere der Fusionsanlage Wendelstein 7-X. (Bild: Wolfgang Filser)

Bei Fusionsreaktoren zirkuliert ein rund 100 Millionen Grad Celsius heisses Plasma in einer Vakuumkammer. Da bei solchen Temperaturen kein Kontakt mit den Wänden auftreten darf, halten verdrillte Magnetfelder das Plasma gefangen. Bei Reaktoren vom Tokamak-Typ (dazu gehört beispielsweise der Experimentalreaktor Iter, der gegenwärtig in Frankreich gebaut wird) wird das Magnetfeld von supraleitenden Magnetspulen erzeugt und durch einen im Plasma fliessenden Strom verdreht. Bei Reaktoren vom Stellarator-Typ wird das verdrillte Magnetfeld hingegen ausschliesslich von Magnetspulen erzeugt.

Wendelstein 7-X besitzt 70 zum Teil sehr komplex geformte Magnetspulen, die das heisse Plasma auf genau berechneten, verschlungenen Bahnen durch die torusförmige Kammer leiten. «Die Kalkulationen hierzu haben Supercomputer teilweise über Monate beschäftigt», sagt Thomas Klinger vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, der das Projekt leitet.

Das supraleitende Magnetsystem von Wendelstein 7-X besteht aus 20 flachen (braun) und 50 speziell geformten Spulen. Das resultierende Magnetfeld soll das heisse Plasma von den Wänden fernhalten. (Bild: IPP)

Millimetergenaue Schweissarbeiten an mehreren Meter grossen und viele Tonnen schweren Stahlelementen waren nötig, um die Reaktionskammer entsprechend den Spezifikationen zusammenzubauen. Erste Tests der Magnetfelder haben bereits ergeben, dass die gewünschten Feldstärken und vor allem die verdrehte Form der Magnetfelder erreicht werden. Die Plasmaphysiker sind mit den Leistungen der Ingenieure sehr zufrieden. Doch sie wissen: Jetzt liegt es an ihnen, die Anlage mit ihren vielseitigen Möglichkeiten zu nutzen, um das Stellarator-Konzept eingehend zu prüfen und zu optimieren.

Für ihre Experimente werden die Forscher zunächst das Edelgas Helium verwenden. Anfang nächsten Jahres soll das Helium dann durch Wasserstoff ersetzt werden. Energie wird die Fusionsanlage allerdings auch damit nicht erzeugen. Denn die Verschmelzung von Atomkernen ist (noch) nicht das Ziel der Experimente. Es soll vielmehr demonstriert werden, dass das heisse Plasma über Zeiträume von 30 Minuten zuverlässig eingeschlossen werden kann. Deshalb wird bewusst darauf verzichtet, Wendelstein 7-X mit einem fusionsfähigen Deuterium-Tritium-Gemisch zu betreiben.

Zwei komplementäre Konzepte

Auf den Forschern in Greifswald lastet auch deshalb eine grosse Verantwortung, weil Stellaratoren neben Tokamaks das letzte heisse Eisen sind, das die Fusionsforscher noch im Feuer haben. Von ehemals einigen Dutzend Konzepten zu Fusionsreaktoren sind im Lauf der letzten Jahrzehnte nur noch diese zwei übrig geblieben. Beide Konzepte haben ihre Vor- und Nachteile. So sind Tokamaks von der Geometrie her viel einfacher aufgebaut. Sie können aber nur im Pulsbetrieb laufen, was in einem Kraftwerk bei Volllast zu starker Materialbeanspruchung führt.

Im Gegensatz dazu sind Stellaratoren prinzipiell für den Dauerbetrieb geeignet. Dafür haben sie stärker mit Verunreinigungen zu kämpfen – vor allem wenn Atome sich von den Wänden lösen und ins Plasma gesaugt werden. Dies zu minimieren und das Plasma sauber in den komplexen Magnetfeldern einzuschliessen, wird in den kommenden Jahren eine schwierige Aufgabe für die Forscher in Greifswald sein.

Welches der beiden Konzepte am Ende das Rennen machen wird, ist derzeit noch offen. Sowohl Wendelstein 7-X als auch der deutlich grösser dimensionierte Iter sind reine Forschungsreaktoren. Mit einem Strom produzierenden Fusionsreaktor ist erst Mitte bis Ende des Jahrhunderts zu rechen. Je nach Ausgang der Experimente könnte auch eine Kombination aus Tokamak- und Stellarator-Technologie langfristig eine Option sein.