17.02.2012
Fusionsforscher planen für 2014 den nächsten Schritt
Kernfusion: Seit den 1950er-Jahren wird erforscht, wie sich die Kernfusion zur Stromerzeugung nutzen lässt. Dabei wird versucht, die physikalischen Vorgänge der Sonne nachzubilden: Wasserstoffkerne sollen zu Helium verschmelzen, die frei werdende Energie will man nutzen. Der große Durchbruch blieb bisher aus – was aber nicht bedeutet, dass man auf der Stelle tritt. Deutsche Forscher haben für 2014 den nächsten wichtigen Schritt geplant.
VDI nachrichten, Düsseldorf, 17. 2. 12, swe
Für eine erfolgreiche Kernfusion muss der Wasserstoff – beispielsweise durch Mikrowellen – auf 100 Mio. °C erhitzt werden, was eine besondere Isolation erfordert: Da sich ein solches Plasma bei Kontakt mit der Reaktorwand sofort abkühlen würde, schließt man es in einem Magnetfeldkäfig ein. Bei jedem Fusionsprozess werden überschüssige Neutronen frei. Sie können das Magnetfeld, das das Plasma einschließt, jedoch ungehindert durchqueren, treffen außerhalb auf eine Wandschicht – das Blankett – und erhitzen dieses durch ihre kinetische Energie.
Der große Durchbruch blieb bisher aus – was aber nicht bedeutet, dass man auf der Stelle tritt. Das Fusions-Triple-Produkt, eine aus Plasmadichte, -temperatur sowie Einschlusszeit gebildete Schlüsselgröße, wurde durchschnittlich jedes Jahr um das 1,8-Fache verbessert, weiß Hartmut Zohm, Direktor des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP).
Institutsleiter Zohm räumt aber auch ein: „Leider wurde immer wieder festgestellt, dass die Wärmeisolation nicht so gut ist, wie wir sie auf dem Papier errechnet hatten. Die Korrekturen haben sich immer auch auf die Reaktorgröße ausgewirkt, weshalb wir inzwischen Anlagen wie Iter (siehe Kasten) bauen müssen, um zu zeigen, dass es geht.“ Man kann also nicht sofort zum Ziel springen, sondern muss kleine Schritte gehen. Ein Schritt bedeutet, aus dem Gelernten einen größeren Reaktor zu berechnen und zu bauen – was entsprechend lange dauert.
Laut Robert Wolf, wissenschaftlicher Leiter am IPP, müsse man neben grundlegenden physikalischen Fragen auch ingenieurwissenschaftliche Probleme lösen: „Wie baut man einen Wärmetauscher, der 10 MW Wärme pro m2 aufnehmen kann?“ Das habe man inzwischen hinbekommen, die neue Technik sei 20-fach effektiver als die eines aktuellen Kohlekraftwerks. Zudem entwickelt man derzeit Wolfram- und Borkarbidbeschichtungen für Teile der Reaktorinnenwand, die möglichst wenig mit dem empfindlichen Plasmabrennstoff reagieren dürfen.
In Deutschland werden am IPP zwei unterschiedliche Reaktorkonzepte erforscht: der Tokamak und der Stellarator. Da beide ihre Vor- und Nachteile haben, hat sich die Wissenschaft bisher nicht für einen Weg entschieden. Prinzipiell lässt sich der Stellarator einfacher betreiben, der Tokamak dagegen ist leichter zu bauen.
Seit 1960 wird in Garching bei München an der Fusion geforscht, ab 1991 am Tokamak Asdex Upgrade. Um das Plasma ca. 15 cm von der Reaktorwand fernzuhalten, sind bei diesem Prinzip drei sich überlagernde Magnetfelder nötig. Ein ringförmiger Tunnel enthält dabei etwa 3 mg ultraheißes Deuterium, verteilt auf 13 m3.
Um die Tunnelwände des Tokamak-Reaktors sind Magnetspulen gelegt, wodurch ein entsprechendes Feld im inneren Feld erzeugt wird. Durch einen Transformator im Kern des Rings wird ein weiteres Feld im Plasma selbst erzeugt, wodurch die Feldlinien verdrillt werden. Die dritte Spulengruppe liegt als flacher Ring über und unter dem Tunnel, wodurch die Kontur und der Strom innerhalb des Plasmas fixiert werden.
Problematisch dabei: Durch den Trafo läuft der Reaktor nur gepulst, in einem zukünftigen Kraftwerk wird aus Effizienzgründen jedoch ein durchgehender Betrieb angestrebt.
Wolf erklärt, man arbeite derzeit daran, den standardmäßigen Puls von 10 s zu strecken: „Dabei haben Sie den Reaktor beispielsweise acht Stunden an, dann eine halbe Stunde aus. So treten aber auch Ermüdungserscheinungen auf – und was macht man mit der halben Stunde? Wir versuchen also eine nichtinduktive Stromversorgung zu realisieren, die effektiv genug ist.“ Zohm sieht das ähnlich: „Wir haben für den Tokamak noch fünf große physikalische Fragen – vier davon spielen für den Stellarator jedoch keine Rolle.“
Daher wird auch das zweite Prinzip erforscht, der Stellarator. An der Ostsee wird im IPP-Teilinstitut Greifswald derzeit am Stellarator Wendelstein 7-X gebaut (s. Bild). Im Dezember 2011 erst wurde ein letztes erforderliches Teil der Außenhülle an Ort und Stelle eingesetzt. Das Spulensystem erzeugt bei einem Stellarator den drei Tesla starken Magnetfeldkäfig komplett von außen. Ohne Strom im Plasma ist der Transformator so überflüssig, Stellaratoren funktionieren daher im Dauerbetrieb.
„Der Tokamak sieht im Querschnitt immer gleich aus. Beim Stellarator brauchen wir aber nichtplanare Spulen, mit denen eine solche Symmetrie nicht aufrechtzuerhalten ist“, erklärt Wolf. Der Plasmatunnel scheint daher wie ein plattgedrücktes Möbiusband geformt zu sein, die bizarr darum gewundenen Spulen lassen eher an moderne Kunst als an hohe Physik denken. Zudem ändert sich der Querschnitt des Tunnelrings fünfmal von nierenförmig zu einem abgerundeten Dreieck.
Nur durch diese spezielle Form können verwundene Magnetfeldlinien erzeugt werden, die erfolgversprechende Einschlusswerte bieten. Diese Geometrie entstand aber nicht wie beim Tokamak durch Weiterentwickeln des Status quo. Bei Wendelstein 7-X ging man die Gleichung von der anderen Seite an: „Durch die Supercomputer war es ab Ende der 80er möglich, das ideale Magnetfeld des Stellarators vorab zu berechnen. Daraufhin konnten wir uns überlegen, wie die zugehörigen Spulen aussehen müssen“, erklärt Wolf. Der so konzipierte Versuchsreaktors in Greifswald soll 2014 fertiggestellt sein.
„Wenn der Stellarator so funktioniert, dann fährt man ihn hoch und er sitzt da und brennt gemütlich vor sich hin. Beim Tokamak dagegen muss man ständig hier gucken und da nachjustieren“, so Zohm. Daher vermutet er, dass – sobald der Einschluss im Magnetfeld gleichwertig ist – der den Tokamak langfristig ablösen wird. TOBIAS MEYER
Kernfusion in Europa
-Der Joint European Torus (Jet), derzeit größter und effektivster Fusionsreaktor, konnte aus 20 MW Heizleistung 65 % durch Fusion zurückgewinnen. Der seit 1983 betriebene Tokamak steht im englischen Culham.
-Das internationale Projekt Iter (lat. der Weg) soll mit 800 m3 bis 1000 m3 Plasma 500 MW erreichen, zehnmal mehr als die nötige Heizleistung. Geplant ab 1988, seit 2010 Bauphase im südfranzösischen Cadarache. Voraussichtlicher Start: 2019.
-Der Nachfolger Demo (Demonstration Power Plant) soll um 2050 das erste voll funktionsfähige Fusionskraftwerk werden. TB