Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (Greifswald)

Im Dezember 2022 hat die National Ignition Facility in den USA einen Durchbruch in der Fusionsforschung verkündet. Die Kernfusion verspricht eine saubere und praktisch unerschöpfliche Energiequelle. Diese anzuzapfen, daran arbeitet auch das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik. Seine wissenschaftliche Direktorin Sibylle Günter und der emeritierte Direktor Karl Lackner ordnen ein, wo einige der staatlichen und privaten Fusionsprojekte stehen – auch im Vergleich zu den Konzepten, an denen ihr Institut forscht.

Es wäre eine völlig neue Energiequelle: Die Kernfusion soll die Kraft der Sonne auf die Erde holen. Einen Weg zu dieser Form der Energieerzeugung verfolgen Forscher um Thomas Klinger, Direktor am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald, mit der Anlage Wendelstein 7-X.

Das Sonnenfeuer auf die Erde holen – aus dieser Vision soll Wirklichkeit werden. Doch zuvor müssen die Forscher noch viele Schwierigkeiten meistern, bis uns eines Tages der erste Fusionsreaktor mit dieser sauberen Energie versorgt.

Beim Entwurf eines Stellarator-Fusionskraftwerks soll ein „digitaler Zwilling“ helfen, die Auswirkung neuer Technologien, physikalischer Erkenntnisse oder Unsicherheiten zu untersuchen. So könnte man eine nahezu endlose Zahl alternativer Entwürfe parallel untersuchen. Um das Zusammenwirken der Systemkomponenten beschreiben zu können, müssen sie zunächst individuell modelliert werden. In den letzten Jahren ist es im IPP weltweit erstmalig gelungen, eine Reihe dieser Modelle für ein Stellarator-Kraftwerk zu entwickeln und in einer Simulationsplattform zusammenzuführen. 

Die Fusionsanlage Wendelstein 7-X, ein optimierter Stellarator, der seit Dezember 2015 im IPP in Greifswald arbeitet, wird schrittweise in Betrieb genommen. Wurde das Plasma in den ersten beiden Experimentierphasen zunächst durch einen materiellen Limiter und dann auf magnetische Weise mit einem ungekühlten Divertor nach außen begrenzt, wird zurzeit eine Wasserkühlung eingebaut. Sie soll in Wendelstein 7-X halbstundenlange Plasmaentladungen bei hoher Heizleistung möglich machen.

Eine der größten Aufgaben der Fusionsforschung ist es, den heißen Brennstoff gut wärmeisoliert einzuschließen. Energieverluste, vor allem durch Turbulenz, müssen möglichst klein bleiben. Im Stellarator Wendelstein 7-X gelang es durch Einschießen von Pellets, Kügelchen aus gefrorenem Wasserstoff, einen Plasmazustand mit niedriger Turbulenz einzustellen. Die Wärmeisolation verdoppelt sich – ein Phänomen, das als Folge der besonderen Geometrie des Magnetfeldes von Wendelstein 7-X theoretisch vorhergesagt wurde. Diese Erwartung wurde inzwischen durch numerische Turbulenzsimulationen untermauert.

Von Juli bis November 2018 lief die zweite Betriebsphase der Kernfusions-Experimentieranlage Wendelstein 7-X. Hierbei wurde der neu installierte Divertor getestet. Er dient dazu, Teilchen und Energie aus dem Plasma abzuführen. Es wurden hohe Werte für Dichte, Temperatur und Energieinhalt des Plasmas sowie lange Entladungsdauern bis zu 100 Sekunden erzielt – Rekordergebnisse für Fusionsanlagen vom Typ Stellarator.

Der Aufbau der Neutralteilchenheizung für die Fusionsanlage Wendelstein 7-X wird demnächst abgeschlossen. Die neue Anlage soll ab Sommer 2018 zusätzlich zu der bestehenden Mikrowellenheizung einsatzbereit sein. Maximal sieben Megawatt kann sie zum Aufheizen in das Plasma einstrahlen.