Die Sonne auf die Erde holen

Die Energiequelle der Sterne und unserer Sonne in ihrer direktesten Form nutzen zu können, ist ein langgehegter Menschheitstraum. Aber es ist auch eine der schwierigsten Aufgaben überhaupt: Um Energie aus Fusionsreaktionen der beiden Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium gewinnen zu können, muss man ein dünnes Wasserstoffgas auf 100 Millionen Grad aufheizen – das ist zehnmal heißer als im Sonneninneren. Dazu nutzt man aus, dass sich der Wasserstoff bei so hohen Temperaturen im Plasmazustand befindet. Die geladenen Teilchen eines Plasmas kann man in Käfigen aus Magnetfeldlinien einschließen.

Das bisher erfolgreichste Konzept hierfür ist der Tokamak, eine ringförmige Anlage, in der die Magnetfeldlinien auf ineinander verschachtelten Flächen umlaufen. Erfolg misst man dabei mit dem sogenannten Lawson-Kriterium. Um mehr Energie aus Fusionsreaktionen freizusetzen, als zur Heizung des Plasmas erforderlich ist, muss das Tripelprodukt einen bestimmten Schwellwert überschreiten. Dieses Produkt setzt sich aus Dichte, Temperatur und einem Maß für die Wärmeisolierung des Plasmas zusammen.

Bis zum Jahr 2000 war die Fusionsforschung bei der Erreichung dieses Zielwertes etwa so erfolgreich wie die Computerchip-Entwicklung: Das erzielte Tripelprodukt folgte dem Mooreschen Gesetz und verdoppelte sich alle zwei Jahre. Während inzwischen die erforderlichen Temperaturen problemlos erreicht werden, ist die größte Herausforderung eine ausreichende Wärmeisolierung des Plasmas. Dazu wurden die Tokamaks immer größer. Extrapolationen ergeben, dass ein Kraftwerk einen Plasmaradius von zwei bis drei Metern haben wird. Der in Südfrankreich im Bau befindliche Tokamak-Testreaktor ITER wird einen Plasmaradius von zwei Metern besitzen. Er soll erstmals beweisen, dass aus Fusionsreaktionen um einen Faktor zehn mehr Energie freigesetzt werden kann, als zum Aufheizen in das Plasma eingebracht wird.

Der Tokamak ASDEX Upgrade, dessen dreißigster Geburtstag wir in diesem Jahr feiern, hat wesentlich zum Entwurf von ITER beigetragen. Heute bleibt er eine wichtige Anlage, um den Betrieb von ITER vorzubereiten und zu begleiten. Insbesondere hat ASDEX Upgrade daran mitgewirkt, die Methode der Wärmeabfuhr – den sogenannten Divertor – zu entwickeln und zu prüfen.

Eine weitere Pionierleistung war der Test von Wolfram als Wandmaterial. Diese Entscheidung wurde damals gegen den Rat vieler Fachleute getroffen, die zu Recht darauf hinwiesen, dass auch sehr geringe Mengen Wolfram im Plasma zu extrem hohen Abstrahlungsverlusten führen würden. Aber das Team an ASDEX Upgrade konnte zeigen, wie man mit diesem Problem fertig werden kann.

Arne Kallenbach stellt diese beiden wichtigen Entwicklungen an ASDEX Upgrade in seinem Artikel auf S. 116 vor. Nach diesem Erfolg wurde zunächst der größere JET-Tokamak im englischen Culham entsprechend umgebaut. Dann wurde auch für ITER der an Fusionsanlagen üblicherweise verwendete Kohlenstoff aus der Planung herausgenommen. Als Wandmaterial für ein Kraftwerk kommt er ohnehin nicht in Frage.

Diese Beispiele zeigen die wichtige Rolle von ASDEX Upgrade in der Fusionsforschung. Der Tokamak hat gerade die richtige Größe, um Neues zu entwickeln: Er ist klein genug, um innovative Ideen mit vertretbarem Aufwand testen zu können, und groß genug, damit die Ergebnisse für ITER oder ein Kraftwerk relevant sind.

ASDEX Upgrade kommt nun zwar in die Jahre. Aber wir halten ihn jung, indem wir immer neue Konzepte realisieren und ihn technisch auf aktuellem Stand halten. Wir bemühen uns, besonders erfolgversprechende Betriebsszenarien für ITER zu entwickeln. Diese überprüfen wir dann am derzeit weltweit größten Tokamak JET und dem gerade in Japan in Betrieb gehenden JT-60SA. Basierend auf einem fundierten theoretischen Verständnis lässt sich anschließend mit großer Sicherheit auf ITER extrapolieren.

Ich bin sehr gespannt auf die ersten Plasmen bei ITER, die zurzeit für 2026 geplant sind. Und ich bin sicher, dass ASDEX Upgrade noch viele Beiträge leisten kann, um diesen Betrieb bestmöglich vorzubereiten und zu begleiten. Und wer weiß, vielleicht geht ja auch mehr als „nur“ ein Faktor zehn an Energieverstärkung.

Weitere Infos

• S. Günter: Die Sonne auf die Erde holen?, Phys. Unserer Zeit 52(3), 107 (2021); https://doi.org/10.1002/piuz.202170302
• A. Kallenbach: 30 Jahre ASDEX Upgrade – Entwicklung der Grundlagen eines Tokamak-Fusionskraftwerks, Phys. Unserer Zeit 52(3), 116 (2021); https://doi.org/10.1002/piuz.202101604
• ASDEX Upgrade, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik