Plasmadichte

Fusionsreaktor – Konzept von Wendelstein 7-X tauglich für Kraftwerke

Robert Klatt

Eine Analyse von Experimenten des Wendelstein 7-X zeigt, dass sich das Konzept für ein Fusionskraftwerk eignet.

Greifswald (Deutschland). Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald erzielten mit dem Wendelstein 7-X (W7-X), einer Experimentieranlage zur Erforschung der Kernfusionstechnik, bereits 2018 Rekordergebnisse bei der Dichte und dem Energiegehalt des Plasmas und der Entladungsdauer. Nun hat ein Team um Craig Beidler vom Bereich Stellarator-Theorie des IPP im Fachmagazin Nature Ergebnisse einer Analyse der damaligen Experimente publiziert.

Der Kernfusionsreaktor Wendelstein 7-X hat laut des IPP ein wichtiges Forschungsziel erreicht. Die Energieverluste des Plasmas werden demnach in dem optimierten Magnetfeldkäfig in der gewünschten Weise reduziert, machen aber weiterhin 30 Prozent der Heizleistung aus, was laut den Forschern ein „beträchtlicher Teil der Energiebilanz“ sei.

Schwachpunkt Energie- und Teilchenverlust

Im Gegensatz zum Fusionsreaktor ITER in Südfrankreich setzt der Wendelstein 7-X auf sogenannte Stellaratoren statt auf das Tokamak-Prinzip. Wie Experten des IPP erklären, haben diese den Nachteil eines hohen Energie- und Teilchenverlusts. „Er lässt die Verluste mit steigender Plasmatemperatur so stark anwachsen, dass ein auf dieser Basis geplantes Kraftwerk sehr groß und damit sehr teuer wäre“, heißt es dazu in einer Publikation des IPP (PDF). Der sogenannte neoklassische Verlust ist demnach bei einem klassischen Stellarator so hoch, dass ein Fusionsfeuer nicht gezündet werden kann.

Magnetfeld minimiert Verluste

Im Wendelstein 7-X kommt deshalb ein „mit großem Theorie- und Rechenaufwand“ geplantes Magnetfeld zum Einsatz, dass die Verluste minimiert. Ohne dieses Magnetfeld wären bei einem nicht-optimierten Stellaratoren die Verluste größer als die Heizleistung.

„Dies zeigt, dass die in Wendelstein 7-X beobachteten Plasmaprofile nur in Magnetfeldern mit geringen neoklassischen Verlusten denkbar sind. Umgekehrt ist damit bewiesen, dass die Optimierung des Wendelstein-Magnetfeldes die neoklassischen Verluste erfolgreich absenkt“, erklärt Per Helander, Leiter des Bereichs für Stellarator-Theorie.

Experimente mit längeren Plasmazuständen

Nun soll überprüft werden, ob das Konzept auch bei längeren Plasmazuständen funktioniert. Dazu erfolgt ein Umbau der Anlage. „Um die Leistungsfähigkeit des Wendelstein-Konzeptes im Dauerbetrieb zu testen, wird zurzeit eine wassergekühlte Wandverkleidung eingebaut. So ausgerüstet, wird man sich schrittweise an 30 Minuten lange Plasmen heranarbeiten“, erklärt das IPP.

Plasmadichte ausreichend für Fusionskraftwerk

In den bereits durchgeführten Experimenten wurde eine Temperatur von 20 Millionen Grad Celsius erzeugt. Der Energieinhalt lag dabei bei mehr als einem Megajoule. Die Wissenschaftler schafften es überdies den instabilen Plasmazustand für 100 Sekunden zu erhalten und eine Plasmadichten von bis zu 2 x 10^20 Teilchen pro Kubikmeter zu erreichen. Laut des IPP lässt sich mit dieser Plasmadichte ein Fusionskraftwerk betreiben.

Nature, doi: 10.1038/s41586-021-03687-w

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