40 Millionen Grad Celsius: Der größte Fusionsreaktor seiner Art steht in Deutschland und hat gerade die nächste Runde im Kernfusions-Wettlauf eröffnet

Ein gedachter Blick ins Innere des Wendelstein 7-X. Das Plasma biegt und wallt geradezu wie ein Lebewesen durch das von den Magnetfeldern vorgegebene Innerste der Reaktorkammer. (Bildquelle: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik)

Der metaphorische Griff ins Herz der Sonne auf der Suche nach grüner Energie: Ein jahrzehntealter Traum der Wissenschaft, dem weltweit Forschende nacheifern. Als eines der vielversprechendsten Konzepte der Kernfusion gilt der Demonstrations-Reaktor Wendelstein 7-X. Dank eines neuartigen Bauteiles übertrifft die Anlage jetzt alles Bisherige bei einem zentralen Wert.

Rekorde beim sogenannten Tripelprodukt beantworten sukzessive, ob, wie und wann wir den Strom der Zukunft zu Hause aus der Steckdose ziehen: Sie pflastern förmlich den Weg hin zum ersten kommerziell tauglichen Kernfusionskraftwerk.

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Neuer Rekord am deutschen Fusionsreaktor

Das internationale Projekt des Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) Wendelstein 7-X ist die weltweit größte und leistungsfähigste Fusionsanlage vom Typ Stellerator. Mit dem Demonstrations-Reaktor nahe Greifswald an der Ostsee wurde ein neuer Weltrekord beim Tripelprodukt bei langen Plasmaentladungen erreicht:

Mit mehr als 43 Sekunden Plasmadauer kletterte die Zahl auf einen neuen Spitzenwert für diese zentrale Kenngröße in der Fusionsphysik.

Grundlagen und Arten der Kernfusion

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Die drei grundsätzlichen Ansätze für Kernfusionskraftwerke:

Wir kennen drei große Zweige, auf denen parallel Kernfusionsforschung läuft:

• Tokamak
• Stellarator
• Trägheitsfusion

Abseits von dem, was sie voneinander trennt, haben sie eines gemeinsam: Sie erhitzen mittels gewonnener Hitze Wasser. Der entstehende Dampf treibt eine Turbine an und diese erzeugt elektrischen Strom, der ins Netz fließt. Auf den letzten Metern auf ihrem Gelände machen Fusionskraftwerke nichts anderes als Kohle-, Gas oder Atomkraftwerke.
Nur ziehen sie die Hitze nicht aus der Verbrennung chemisch gebundener fossiler Energie (Kohle und Gas) oder aus der Spaltung von sehr schweren Kernen (Atomkraftwerke).

Stattdessen verschmelzen bei der Kernfusion zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren. Meistens die zweier Wasserstoffatome, woraus einmal Helium entsteht. Dabei wird vorrangig Energie in Form von Neutronen freigesetzt. Dieser Prozess geschieht in einem sogenannten Plasma.

Plasma nennt sich der vierte Grundzustand von Materie (fest, flüssig, gasförmig, Plasma). Es wird gebildet, indem sich Gas stark aufheizt. Sobald die Kernfusion läuft, hält diese das Plasma selbst auf Temperatur, aber zum Anlaufen braucht es von außen zugeführten Strom. Die Erhitzung kann durch verschiedene Prozesse geschehen, zum Beispiel Mikrowellenstrahlung. Das Plasma schwebt magnetisch gehalten in einem Vakuumbehälter – also frei von anderen Gasen.

Tokamak: Sie stellen den ältesten und bis heute am besten erforschten Ansatz dar. Donut-förmig angeordnete Magnete umschließen eine Reaktionskammer. In der Mitte des Donut-Rings steht ein Transformator. Dieser ruft einen Strom durch das in der Kammer erzeugte Plasma hervor. Nur dank dieser zwei miteinander interagierenden Systeme (Transformator plus äußere Magnetspulen) kann die extrem heiße Masse in einem Zustand gehalten werden, der es erlaubt, Wasserstoffatome miteinander zu fusionieren.

Der ITER-Tokamak. Das Plasma umströmt in dem donut(torus)förmigen Ring den durch Schutzwände im Zentrum abgeschirmten Transformator. Bildquelle: US ITER

Das Problem: Der Transformator muss regelmäßig abgeschaltet werden. Für einen Dauerbetrieb sind Tokamaks deshalb ungeeignet – sie werden selbst im industriellen Betrieb noch zu definierende Pausen brauchen.

Stellarator: Anstatt in einer regulären Kammer fließt das Plasma, durch einen engen, ebenfalls annähernd donutförmigen Tunnel, der jedoch verdreht ist. Das Plasma windet sich quasi rasend schnell. Sein Einschluss und die Kontrolle erfolgt durch ein einzelnes Magnetfeld, das durch ringförmige Magneten gebildet wird. Im Gegensatz zum Tokamak fließt kein Strom durch das Plasma selbst, da die komplexe Anordnung der außen liegenden Magnete die Arbeit alleine verrichten können. Ein Stellarator kann ununterbrochen laufen, es gibt keine vom Design erzwungene Notwendigkeit zur zwischenzeitlichen Abschaltung. Er kann per Design dauerhaft Strom produzieren.

Doch die dreidimensionale, asymmetrische Anordnung stellte sich als ein mathematisch-physikalisches Monstrum heraus. Erst Supercomputer vermochten die nötigen Berechnungen auszuführen. Daher konnte selbst der theoretische Entwurf von Reaktoren des Typs Stellarator erst spät im 20.Jahrhundert erfolgen. So hinken sie auf ihrer Entwicklungsachse etwas hinter den Tokamaks her – sind aber nach Meinung vieler Experten der geeignetere Kandidat für Kraftwerke.

Trägheitsfusion: Hierbei werden Geschosse oder starke Laser auf einen winzigen Punkt abgefeuert. An diesem befindet sich im Inneren einer Reaktionskammer eine winzige Menge Treibstoff (Wasserstoff) in Form eines Pellets. Die in Mikrosekunden auftreffende bzw. einschlagende Energie führt zu einer extremen Verdichtung, was wiederum die Fusion in Gang setzt. Allerdings muss dieser Vorgang oft und regelmäßig wiederholt werden, um kontrolliert über längere Zeiträume Energie zu erzeugen. Im Prinzip sammeln wir hier quasi die Energie von explodierenden Miniatur-Wasserstoffbomben ein.

Wichtige Meilensteine wurden zuletzt auch bei Tokamaks sowie im Feld der Trägheitsfusion erreicht:

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Das Tripelprodukt ist die zentrale Erfolgsgröße auf dem Weg zu einem Fusionskraftwerk. Erst ab einem bestimmten Schwellenwert kann ein Plasma mehr Fusionsleistung erzeugen, als an Leistung zum Betrieb investiert werden muss. Die Energiebilanz wird dann also positiv - wir gewinnen Energie durch die Fusion von Wasserstoffatomen zu Helium.

Zudem heißt das Überschreiten des Schwellwerts, dass die Reaktion von alleine weiterläuft, solange neuer Wasserstoff zugeführt wird. Es braucht aber keine weitere Aufheizung des Plasmas durch extern beigebrachten Strom. Physiker sprechen hier dann vom erfüllten Lawson-Kriterium.

Die folgende Grafik bildet das Ergebnis in Relation ab. x1 steht für die zu erreichende Schwelle. Wendelstein 7-X hat den Sprung darüber bisher nicht geschafft, aber alle bisherigen Läufe mit Werten darüber (Tokamak-Reaktoren) dauerten nur wenige Sekunden lang an. (Mehr dazu und wie sich das Tripelprodukt zusammensetzt, lest ihr weiter unten.)

Bei dem Rekordexperiment des W7-X wurde die Plasmatemperatur auf mehr als 20 Millionen Grad Celsius, in Spitzen sogar auf 40 Millionen Grad Celsius getrieben. Letzterer Wert ist mehr als doppelt so hoch wie die Temperatur im Zentrum unserer Sonne. Nur ein Ort nahe des Zentralgestirns unseres Heimatsystems kann mithalten.

Zudem konnten während der jüngsten Testreihe zwei weitere Meilensteine erreicht werden. Dabei geht es nicht um Weltrekorde, aber doch um beachtliche Fortschritte beim Wendelstein 7-X selbst.

• Ein um rund 1/3 gesteigerter Energieumsatz. Nur wenn es gelingt, kontinuierlich große Energiemengen zu managen und die entstehende Wärme abzuführen, ist ein späterer Kraftwerksbetrieb möglich.
• Bei der Kontrolle des Drucks im Plasma erreichte das Team in Greifswald einen neuen Spitzenwert, der ebenfalls Hoffnung bereitet. Denn für ein richtiges Fusionskraftwerk muss das Plasma selbst zum gewissen Grad seinen Druck aufrechterhalten, damit die Magnetfelder von außen nachgeben können. Das spart Energie und gewährt Spielraum bei der Auslegung der noch stark für einen kommerziellen Betrieb zu vergrößernden Anlagen.

Das Tripelprodukt – ein Maßstab erster Güte

Das Tripelprodukt ergibt sich aus drei Faktoren:

• der Teilchendichte des Plasmas
• seiner Temperatur
• der Energieeinschlusszeit, also der Dauer, über die die Wärmeenergie aus dem Plasma entweicht, wenn nicht nachgeheizt wird. Die Einschlusszeit ist damit ein Maß für die Wärmeisolierung.

Strenggenommen hat Wendelstein 7-X nicht alle jemals getesteten Fusionsreaktoren beim Tripelprodukt geschlagen. Der Tokamak JT60U (stillgelegt 2008) und die europäische Tokamak-Anlage JET in Großbritannien (stillgelegt 2023) bleiben bei kurzen Plasmadauern von wenigen Sekunden Spitzenreiter. Bei den für ein künftiges Kraftwerk wichtigen längeren Plasmadauern liegt Wendelstein 7-X jetzt jedoch vorn.

Pellet-Kanone als Geheimrezept

Möglich wurde der neue Rekord dank eines Umbaus im vergangenen Jahr. Ein neuer sogenannter Pellet-Injektor aus den USA schießt gefrorene Wasserstoffkügelchen ins Plasma - er gilt als derzeit weltweit einzigartig. Seine Aufgabe ist simpel: das etliche Millionen Grad heiße Plasma im Inneren füttern, damit in ihm konstant Atome verschmelzen können.
Nur derart plan- und steuerbar könnte eines Tages ein Fusionsreaktor grundlastfähigen, günstigen Strom für Millionen von Menschen erzeugen.

In seinem Inneren hält der Injektor einen 3 Millimeter durchmessenden Strang an Wasserstoff-Eis bereit. Hiervon schneidet er innerhalb von Sekundenbruchteilen konstant wiederholt 3,2 Millimeter zylinderförmige Stücke ab. Diese Pellets werden von einer Art Blasrohr mit großem Druck ins Plasma geschossen. Dabei erreichen sie Geschwindigkeiten von 300 bis 800 Meter pro Sekunde.

Das übertrifft in der Spitze deutlich die Reisegeschwindigkeit des Überschall-Passagierflugzeugs Concordes und kommt nah an die beinahe Mach-3-schnellen MiG-Abfangjäger vom Typ 31 heran.

Entscheidend war dabei auch, dass der Pellet-Strom des Injektors extrem fein gesteuert werden kann. Die Forscher setzten auf eine speziell an das Testszenario und den Reaktor angepasste Dosierung. Jedes einzelne der in diesem Fall 90 Pellets befeuerte so exakt zum richtigen Zeitpunkt die künstliche Sonne in der Brennkammer. Das ist wichtig, da der extrem kalte Treibstoff das Plasma nicht unnötig abkühlen darf.

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Wann genau das erste Fusionskraftwerk ans Netz geht, bleibt auch Mitte 2025 Glaskugel-Leserei – doch ranken sich hartnäckig Mythen um diese Frage. Astrophysiker Josef M. Gaßner ist auf diese gründlich eingegangen. Kollegen der Forschenden aus Greifswald arbeiten in München derweil an einem Stellarator, der in den 2030ern ans Netz gehen soll.

Doch ob diese Pläne haltbar sind, wird die Zeit zeigen. Wasserstandsmeldungen wie jetzt der neue Weltrekord zeigen klar, dass wir vorankommen. Allerdings bleibt trotz Fortschritt auf dem Weg unklar, wie viel an Strecke noch vor uns liegt, bis irgendwann der erste Fusionsstrom aus der Steckdose kommt. Bis das passiert, wird der globale Forschungs-Wettlauf weitergehen – und das Tolle daran: Alle lernen von- und miteinander.