Magneteinschlussfusion

Fusion mittels magnetischen Einschlusses

Jede Sekunde werden etwa 4 Millionen Tonnen Sonnenmasse in Wärme und Strahlung umgewandelt. Im sogenannten Proton-Proton-Zyklus wird diese Energie im Sonnenkern erzeugt. Dort herrschen extreme Bedingungen von 15 Millionen Grad Celsius und ein Druck von 150 Milliarden bar, bei denen die Atomkerne ineinander gedrückt werden.

Da solche Bedingungen auf der Erde nur schwer reproduzierbar sind, behilft man sich mit höheren Temperaturen bei niedrigeren Drücken. Die Reaktion wird bei Temperaturen von rund 150 Millionen Grad Celsius erzeugt. Zusätzlich verwendet man statt Protonen die Isotope des Wasserstoffatoms Deuterium und Tritium als Ausgangsstoffe, die einfacher fusionieren als der Wasserstoff in der Sonne.

Doch wie werden solche extremen Temperaturen auf der Erde erzeugt und wieso schmilzt nicht alles, was damit in Berührung kommt?
Erhitzt man das Wasserstoffgas so trennen sich die positiv geladen Ionen von den negativ geladenen Elektronen. Man spricht dann von einem Plasma. Solch ein Plasma kann dann durch Magnetfelder kontrolliert werden. In einem Fusionsreaktor wird ein äußeres Magnetfeld so gesteuert, dass das Plasma im Inneren die Wände nicht berührt - Es ist magnetisch eingeschlossen.

Schafft man es das Magnetfeld, das Plasma und alle anderen nötigen Komponenten gut genug zu kontrollieren, so erzeugt man einen stabilen Zustand, in dem der Wasserstoff fusioniert und dabei Wärme erzeugt. Diese Wärme sorgt dafür, dass der Fusionsprozess nicht abreißt und die Heizelemente abgeschaltet werden können. Überschüssige Wärme wird über die Reaktorwand abgegeben und wird zur Stromerzeugung genutzt.

Die Fusionsforschung hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Doch bis heute ist die erzeugte Energie zwar nahe, doch immer noch unter der für den Prozess verwendeten Energie. ¹

Tokamak

Die einfachste Anordnung, für ein magnetisch eingeschlossenes Plasma ist ein Zylinder. Hier würde das Plasma jedoch an beiden Enden herauslaufen. Es liegt daher nahe, dass man diesen Zylinder zu einem Donut-förmigen Ring biegt – den Tokamak.

Neben den Spulen entlang des Donuts benötigt es für die Kontrolle des Plasmas noch eine Spule im Donut-Inneren und zwei Spulen über- und unterhalb des Reaktors, welche die Vertikalbewegungen des Plasmas steuern.

Dieses einfache Design birgt jedoch auch Nachteile. Die Kontrolle des Plasmas ist äußerst schwierig. Der Reaktor kann lediglich im Pulsbetrieb arbeiten. Das heißt das Plasma muss in bestimmten Zeitintervallen immer wieder neu erhitzt werden. 2022 stellte der Reaktor EAST in China den Rekord mit einer Pulsdauer von etwa 18 Minuten auf. ²

In neueren Aufbauten werden auch zunehmend sphärische Tokamaks verwendet. Diese apfelförmigen Aufbauten haben den Vorteil eines kompakteren Designs und besser Plasmaeinschließung. ³

Stellarator

Das Reaktordesigns namens Stellarator bietet im Gegensatz zu dem Pulsbetrieb des Tokamaks eine Möglichkeit des kontinuierlichen Betriebs. Die Spulen sind dort so designt, dass das Plasma zusätzlich verdreht wird. Das Design und die Herstellung der verwendeten asymmetrischen Spulen sind dabei sehr komplex, bieten jedoch den Vorteil einer einfachen Steuerung und Kontrolle des Fusionsprozesses.

Innovation & Fortschritt: Eine Auswahl aktueller Projekte im Fokus

ITER
China, die Europäische Union, Indien, Japan, Korea, Russland und die Vereinigten Staaten arbeiten gemeinsam an dem Tokamak Projekt ITER. Dieser wird seit 2010 in Cadarache, Frankreich gebaut und soll mit seiner Deuterium-Tritium-Betriebsphase 2039 starten. ⁴

DEMO
Die Demonstrationskraftwerkanlage DEMO ist das Nachfolgeprojekt von ITER. Der Übergang von ITER zu DEMO transferiert das Projekt von einem wissenschaftlich orientierten, laborgestützten Programm zu einem industrie- und technologieorientierten Programm. Die zentrale Voraussetzung des Projektes ist die Generierung von elektrischer Energie mit einer Leistung zwischen 300 und 500 Megawatt sowie das Arbeiten in einem geschlossenen Brennstoffkreislauf, in dem das verbrauchte Tritium wiederaufbereitet wird. ⁵

Wendelstein 7-X
Wendelstein 7-X des Max-Planck-Instituts in Greifswald, Deutschland ist der weltweit größte Stellerator. Er besteht aus 50 speziell geformten supraleitenden Spulen. Er produzierte 2015 das erste Mal Plasma und konnte bisher eine maximale Betriebsdauer von 30 Minuten erreichen. Das Max-Planck-Institut bietet auf ihrer Seite einen virtuellen Besuch der Anlage an.⁶

ASDEX Upgrade
Neben dem Stellarator betreibt das Max-Planck-Institut auch den Tokamak ASDEX Upgrade in Garching bei München. Das „Axialsymmetrische Divertor-Experiment“ ging 1991 in Betrieb und soll Kernfragen der Fusionsforschung unter kraftwerksähnlichen Bedingungen untersuchen und die physikalischen Grundlagen für ITER und DEMO erarbeiten. Auch hier bietet das Max-Planck-Institut auf ihrer Seite einen virtuellen Besuch der Anlage an. ⁷

Quellen:

1 J. Ongena, R. Koch, R. Wolf, H.Zhom, „Magnetic-confinement fusion”, Nature Physics (2016), 398-410
2 EAST demonstrates 1000-second steady-state plasma
3 Spherical Tokamak | Efficient Design, Energy Output & Research
4 ITER - the way to new energy
5 DEMO - EUROfusion
6 Wendelstein 7-X
7 ASDEX Upgrade