Wendelstein 7-X: Sonnig bis heiß in Greifswald
Am Stellarator Wendelstein 7-X(öffnet im neuen Fenster) soll an diesem Tag zum ersten Mal ein Plasma erzeugt werden. Die Experimente an der Forschungsanlage dienen der Vorbereitung der Kernfusion.
Wendelstein 7-X ist ein Großexperiment der Max-Planck-Gesellschaft, an dem für die Kernfusion geforscht wird. Es ist ein wulstartiger Ring - wie ein Rettungsring oder ein Donut - mit einem Durchmesser von 16 Metern. Umgeben ist der Ring von einer komplizierten Struktur von 50 supraleitenden Magnetspulen, die mit flüssigem Helium auf etwa minus 270 Grad gekühlt werden.
Wasserstoffisotope sollen fusionieren
Kernfusion ist die Energiequelle der Sterne: Zwei Wasserstoffkerne verschmelzen zu einem Heliumkern, wobei sehr viel Energie freigesetzt wird. Genug etwa, um die Erde in einer Entfernung von etwa 150 Millionen Kilometern von der Sonne mit ausreichend Licht und Wärme zu versorgen. Um hier den Bedarf an Energie zu decken, wird versucht, den Prozess mit den Wasserstoffisotopen Deuterium (D) und Tritium (T) nachzubilden.
Das größte Problem dabei ist, dass sich die beiden positiv geladenen Atomkerne gegenseitig abstoßen. Sie verschmelzen nur unter extremen Bedingungen: bei einem Druck von 200 Milliarden Bar und einer Temperatur von 15 Millionen Grad Celsius. Solche Bedingungen herrschen nur im Innern eines Sterns wie der Sonne. Da sich ein solcher Druck auf der Erde nicht erzeugen lässt, muss die Zündtemperatur umso höher sein: Sie beträgt eben 100 Millionen Grad oder mehr.
Fusion setzt Neutron und Energie frei
Bei diesen Temperaturen geht Materie in den Plasmazustand(öffnet im neuen Fenster) über. Dabei werden die Elektronen von der Atomhülle abgetrennt. Es entsteht ein elektrisch leitendes Gemisch aus Elektronen und den ungebundenen Atomkernen, den Ionen. Kollidieren die Ionen dann, stoßen sie sich nicht gegenseitig ab, sondern verschmelzen zu einem Heliumkern. Dabei wird ein Neutron freigesetzt und Energie. Viel Energie: Mit der Fusion von einem Gramm Brennstoff könnten etwa 90.000 Kilowattstunden Strom erzeugt werden - etwa so viel wie durch die Verbrennung von elf Tonnen Kohle.
Zunächst müssen diese Bedingungen aber erzeugt werden. Dazu ist ein hoher Energieaufwand nötig. Außerdem hält solchen Temperaturen kein irdisches Material stand. Das heiße Plasma darf also auf keinen Fall mit den Wänden der Brennkammer in Kontakt kommen. Zudem würde das Plasma dabei abkühlen.
Supraleitende Spulen erzeugen Magnetfeldkäfig
Deshalb wird das Plasma in einem Magnetfeldkäfig gehalten, das 50 Spulen erzeugen. Jede Spule ist 3,5 Meter hoch und wiegt 6 Tonnen. Da das Plasma leitfähig ist, kann das Magnetfeld seine Form beeinflussen. Das Feld ist ringförmig und in sich noch einmal verdreht. Um diese Form zu erzeugen, bedarf es besonders geformter Spulen, die wie zerquetschte Ringe oder moderne Skulpturen aussehen. Entworfen wurde sie mit Hilfe eines Supercomputers, der zuvor errechnet hatte, wie der Magnetfeldkäfig aussehen muss, um das Plasma zu halten. Dazu passend wurden dann die Formen für die Spulen entworfen.
Die Spulen umgeben eine Vakuumkammer aus Stahl, in der das Plasma erzeugt wird. Hinzu kommen 20 ringförmige Spulen, mit denen das Magnetfeld justiert werden kann. Der Spulenring besteht aus fünf praktisch gleichen Modulen. Er sitzt auf einem Torus aus Stahl, der mit vielen Anschlüssen übersät ist.
Im vergangenen Jahr wurde Wendelstein 7-X nach neun Jahren Bauzeit fertig. Im Sommer wurden die Messungen des Magnetfelds erfolgreich abgeschlossen. Es ist also alles bereit.
Stellarator oder Tokamak
Um das Plasma zu erzeugen, werden zuerst die Magnete hochgefahren, indem Strom durch die Spulen geschickt wird - mit einer Stärke von 18.500 Ampere. Danach wird das Gas in die Plasmakammer geleitet und durch elektromagnetische Wellen ionisiert. "Das geht sehr schnell" , sagte Thomas Klinger, Leiter des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP), dem Angebot Welt der Physik(öffnet im neuen Fenster) : "Innerhalb von einigen zehn bis hundert Millisekunden bauen wir ein stabiles Plasma auf."
Ein Stellarator ist einer der Reaktortypen, in denen Fusion mittels magnetischen Einschlusses(öffnet im neuen Fenster) durchgeführt werden soll. Neben dem Wendelstein 7-X gibt es einen zweiten, kleineren Stellarator: das Large Helical Device(öffnet im neuen Fenster) (LHD) in Toki in Japan. Die Anlage ist seit 1998 in Betrieb.
Iter ist ein Tokamak
Vom Prinzip her ähnlich ist der europäische Forschungsreaktor International Thermonuclear Experimental Reactor(öffnet im neuen Fenster) (Iter). Er hat eine ringförmige Brennkammer, den Tokamak(öffnet im neuen Fenster) , die allerdings nicht verdrillt ist. In einem Tokamak muss zusätzlich elektrischer Strom durch das leitende Plasma fließen. Der Iter entsteht in Cadarache in Südfrankreich und soll Anfang der 2020er Jahre fertig sein.
Vorteil des Stellarators gegenüber dem Tokamak ist, dass der Stellarator im Dauerbetrieb eingesetzt werden kann. Das soll am Wendelstein 7-X gezeigt werden: Das Plasma soll 30 Minuten lang stabil gehalten werden können. Ein Tokamak arbeitet dagegen nur pulsweise - das soll etwa 7 Minuten dauern. Für einen Dauerbetrieb muss ein Tokamak umgerüstet werden.
Wendelstein 7-X ist zu klein für Fusionsreaktionen
Doch auch wenn in Greifswald Forschung für die Fusion betrieben wird: Fusioniert wird nicht. Dazu ist der Stellarator zu klein. Ihre Aufgabe sei, "zu zeigen, dass wir ein Hochtemperaturplasma mit einem Magnetfeld optimal - also bestens wärmeisoliert, stabil und im Dauerbetrieb - einschließen können" , sagt Klinger.
Fusionsreaktionen - und damit letztlich eine Stromgewinnung - sollen im Iter durchgeführt werden.
Helium-3-Fusion setzt fast keine Strahlung frei
Vorteil der Kernfusion gegenüber der Kernspaltung: Die Fusion läuft nur ab, wenn die nötigen Bedingungen gegeben sind, wenn also der große Druck und die extrem hohen Temperaturen aufrechterhalten werden und viel Anfangsenergie zugeführt wird. Werden die Elektromagnete abgeschaltet, ist Schluss - ebenso wenn kein Brennstoff mehr zugeführt wird. Es kann also zu keiner unkontrollierten Reaktion wie in Tschernobyl oder Fukushima kommen.
Bei der D-T-Fusion wird lediglich Tritium freigesetzt, das eine Halbwertszeit von etwas über zwölf Jahren hat. Allerdings werden die Materialien, aus denen die Reaktorkammer besteht, kontaminiert. Nach etwa 50 Jahren soll die Strahlung abgeklungen sein - anders als bei den Überbleibseln der Kernspaltung, deren radioaktiver Abfall noch Tausende Jahre lang strahlt.
Helium-3 gibt es nur auf dem Mond
Noch besser wäre eine Fusion mit Helium 3, bei dem praktisch keine radioaktive Strahlung freigesetzt wird. Allerdings kommt dieses Helium-Isotop auf der Erde kaum vor. Es ist Bestandteil des Sonnenwindes, den das Erdmagnetfeld von der Erdoberfläche abhält. Auf dem Mond, der kein Magnetfeld hat, kommt das Helium 3 vor . Doch ein Abbau, um damit irdische Fusionsreaktoren zu betreiben, dürfte Science-Fiction bleiben.
Erst einmal geht es aber darum, ein stabiles Plasma zu erzeugen. In dieser Woche fangen die Greifswalder Wissenschaftler mit einem Helium-Plasma an. "Denn mit Helium ist der Plasmazustand leichter zu erreichen" , sagt Klinger(öffnet im neuen Fenster) . Anfang des kommenden Jahres soll dann ein Wasserstoff-Plasma folgen. Auch ein Plasma aus Deuterium wollen sie am Wendelstein 7-X erzeugen, allerdings erst in einigen Jahren.