Fusionsreaktor: Analyse bestätigt Konzept von Wendelstein 7-X

Bisherige Versuche am Fusionsreaktor Wendelstein 7-X in Greifswald haben gezeigt, dass eine solche Anlage kraftwerkstauglich sein könnte.

Artikel veröffentlicht am 12. August 2021, 11:42 Uhr, Friedhelm Greis

Forschungsreaktor Wendelstein 7-X in Greifswald (Bild: Werner Pluta/Golem.de)

Der Kernfusionsreaktor Wendelstein 7-X in Greifswald hat ein wichtiges Forschungsziel erreicht. "In dem optimierten Magnetfeldkäfig sind die Energieverluste des Plasmas in gewünschter Weise reduziert", teilte das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) am Donnerstag in Greifswald mit. Demnach machen die Verluste aber weiterhin 30 Prozent der Heizleistung aus, was ein "beträchtlicher Teil der Energiebilanz" sei.

Die Forscher hatten im Jahr 2018 mehrere Rekordergebnisse bei Entladungsdauer, Dichte und Energieinhalt des Plasmas erzielt, das für eine Kernfusion erforderlich ist. Diese Experimente wurden nun von Wissenschaftlern um Craig Beidler vom IPP-Bereich Stellarator-Theorie genauer analysiert. Das Resultat ist in der Zeitschrift Nature erschienen.

Anders als die Forschungsanlage Iter in Südfrankreich setzt Wendelstein 7-X nicht auf das Tokamak-Prinzip, sondern auf sogenannte Stellaratoren. Diese haben laut IPP den Nachteil, dass der "neoklassische" Energie- und Teilchenverlust ein ernster Schwachpunkt ist. "Er lässt die Verluste mit steigender Plasmatemperatur so stark anwachsen, dass ein auf dieser Basis geplantes Kraftwerk sehr groß und damit sehr teuer wäre", heißt es.

Laut IPP (PDF) ist der sogenannte neoklassische Verlust, der durch die Stöße zwischen den Plasmateilchen zustande kommt, in einem klassischen Stellarator so hoch, dass eine Zündung des Fusionsfeuers unmöglich wäre.

Das Magnetfeld im Wendelstein 7-X sei daher "mit großem Theorie- und Rechenaufwand" so geplant worden, um die Verluste so gering wie möglich zu halten. Bei nicht-optimierten Stellaratoren seien die Verluste hingegen größer als die Heizleistung. "Dies zeigt, dass die in Wendelstein 7-X beobachteten Plasmaprofile nur in Magnetfeldern mit geringen neoklassischen Verlusten denkbar sind. Umgekehrt ist damit bewiesen, dass die Optimierung des Wendelstein-Magnetfeldes die neoklassischen Verluste erfolgreich absenkt", sagt Professor Per Helander, der den Bereich Stellarator-Theorie leitet.

Umbau für längere Plasmazustände

Ob sich das Konzept auch bei längeren Plasmazuständen bewährt, soll demnächst geprüft werden. "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", schreibt das IPP.

Bislang konnten die Wissenschaftler ein Plasma mit einer Temperatur von 20 Millionen Grad Celsius erzeugen. Der Energieinhalt betrug dabei mehr als ein Megajoule. Zudem schafften es die Forscher, ein Plasma 100 Sekunden lang zu erhalten. Ebenfalls gelang es, Plasmadichten von bis zu 2 x 10^20 Teilchen pro Kubikmeter zu erreichen. Mit einer solchen Plasmadichte lässt sich laut IPP ein Fusionskraftwerk betreiben.

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Der Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald (Foto: Werner Pluta/Golem.de)

Das Plasma wird in einer ringförmigen Kammer mit einem Durchmesser von 16 Metern erzeugt. Sie ist von einer komplizierten Struktur aus 50 supraleitenden Magnetspulen umgeben, die einen Magnetfeldkäfig erzeugen. Dieser hält das Millionen Grad heiße Plasma, das nicht mit den Wänden der Kammer in Berührung kommen darf. Nur im Plasmazustand ist es möglich, zwei Atomkerne miteinander zu verschmelzen.