Kernfusion: Wendelstein 7-X erzeugt stabiles Plasma

Während der dreijährigen Umbauarbeiten, die im vergangenen Sommer abgeschlossen wurden, erhielt Wendelstein 7-X vor allem eine Wasserkühlung der Wandelemente und ein erweitertes Heizsystem. Letztere kann nun doppelt so viel Leistung in das Plasma einkoppeln wie zuvor. Seitdem kann das Kernfusionsexperiment in neuen Parameterbereichen betrieben werden. „Wir tasten uns jetzt an immer höhere Energien heran“, erklärt Prof. Dr. Thomas Klinger, Leiter der Abteilung Stellaratordynamik und -transport am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald. „Dabei müssen wir Schritt für Schritt vorgehen, um die Anlage nicht zu überlasten und zu beschädigen.“

Am 15. Februar 2023 erreichten die Forscherinnen und Forscher einen weiteren Meilenstein: Erstmals gelang es ihnen, in der Anlage einen Energieumsatz von 1,3 Gigajoule zu erzielen. Damit haben sie den bisherigen Bestwert aus der Zeit vor dem Umbau (75 Megajoule) um den Faktor 17 gesteigert. Der Energieumsatz ergibt sich aus der eingekoppelten Heizleistung multipliziert mit der Dauer der Entladung. Nur wenn es gelingt, kontinuierlich große Energiemengen in das Plasma einzukoppeln und die entstehende Wärme wieder abzuführen, ist ein Kraftwerksbetrieb möglich.

Die Dauer der Plasmaentladung betrug acht Minuten

Die größten Wärmeflüsse fließen bei Wendelstein 7-X über besonders hitzebeständige Ablenkplatten, so genannte Divertor-Prallplatten. Sie sind Teil der Innenwand, die seit dem Umbau durch ein Netzwerk von insgesamt 6,8 Kilometern Wasserrohren gekühlt wird. Keine andere Fusionsforschungsanlage weltweit verfügt heute über eine derart umfassend gekühlte Wand.

Die Plasmaheizung besteht aus drei Komponenten: Der neu installierten Ionenheizung, der Neutralteilcheninjektionsheizung und der Mikrowellen-Elektronenheizung. Für den aktuellen Rekord war vor allem die Mikrowellen-Elektronenheizung entscheidend, da nur sie in der Lage ist, große Leistungen über Zeiträume von mehreren Minuten einzukoppeln. Der Energieumsatz von 1,3 Gigajoule wurde bei einer mittleren Heizleistung von 2,7 Megawatt und einer Entladungsdauer von über 480 Sekunden erreicht - auch das ist ein neuer Rekord für Wendelstein 7-X und einer der besten weltweit. Vor dem Umbau erreichte Wendelstein 7-X maximale Plasmazeiten von 100 Sekunden bei deutlich geringerer Heizleistung.

In wenigen Jahren, so der Plan, soll der Energieumsatz von Wendelstein 7-X auf 18 Gigajoule gesteigert und das Plasma dann für eine halbe Stunde stabil gehalten werden.

Max-Planck-Institiut für Plasmaphysik

Die Kernfusion gilt als eine der vielversprechendsten Technologien zur Energiegewinnung. Dabei wird Energie aus der Verschmelzung von Atomkernen gewonnen. Im Gegensatz zur Kernspaltung, bei der schwere Atome in kleinere Teile gespalten werden, verschmelzen bei der Kernfusion leichte Atome miteinander.

Das bekannteste Beispiel für Kernfusion ist die Sonne. Dort verschmelzen Wasserstoffatome zu Helium und setzen dabei enorme Energiemengen frei. Ziel der Forschung ist es, diese Prozesse auf der Erde nachzuvollziehen und damit eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle zu erschließen.

Dazu müssen extrem hohe Temperaturen und Drücke erzeugt werden. Denn nur unter diesen Bedingungen können Atomkerne so stark miteinander wechselwirken, dass sie verschmelzen. Bei der Kernfusion entstehen keine radioaktiven Stoffe, sondern lediglich ein Heliumatom und ein Neutron als Abfallprodukte.

Bisher ist es allerdings noch nicht gelungen, mehr Energie zu erzeugen als verbraucht wurde. Dennoch sind viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zuversichtlich, dass diese Technologie in Zukunft zur Stromerzeugung genutzt werden kann.

In Europa arbeitet ein internationales Konsortium am Projekt ITER, einem Versuchsreaktor in Südfrankreich, der 2025 in Betrieb gehen soll. Dort sollen die bisherigen Erkenntnisse zur Kernfusion gebündelt und weiterentwickelt werden.