10.12.2015

Gefangen im Magnetfeld

Im Fusionsexperiment Wendelstein 7-X wird erstmals ein Plasma erzeugt.

Am frühen Nachmittag des 10. Dezember war es soweit: Im Fusionsexperiment Wendelstein 7-X des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) wurde erstmals ein Plasma erzeugt. Damit fanden neun Jahre Bauzeit und ein Jahr technische Vorbereitung einen ersten Höhepunkt von einer Zehntelsekunde Dauer. Mit Wendelstein 7-X soll untersucht werden, wie Magnetfelder ein Wasserstoffplasma einfangen und bis zu 30 Minuten aufrechterhalten. In unserer Sonne finden in einem solchen Plasma Fusionsreaktionen statt und setzen große Mengen an Energie frei. Auf der Erde allerdings müssen viele Komponenten aus Hochvakuum-, Hochspannungs- und Tieftemperaturtechnik perfekt zusammenspielen, um diese Bedingungen nachzustellen.

Als ersten Schritt prüften die Plasmaphysiker mit Helium, dass die etwa eine Milliarde Euro teure, von Bund, EU und Mecklenburg-Vorpommern finanzierte Anlage tatsächlich Plasmen einschließt. Das Heliumplasma erreichte eine Temperatur von etwa einer Million Grad, nachdem die Mikrowellenheizung dem Gas im Plasmagefäß etwa 1,3 Megawatt Leistung zuführte. „Wir sind sehr zufrieden“, fasst Hans-Stephan Bosch, der den Betrieb von Wendelstein 7-X organisiert, den Verlauf des Tags zusammen. Sibylle Günter, Direktorin des IPP, verdeutlicht: „Wegen der höheren Ionisierungsenergie des Heliums kann man ein Heliumplasma leichter auf höhere Temperaturen heizen.“ Außerdem ist das Edelgas Helium weniger reaktionsfreudig als Wasserstoff. Die Umstellung auf ein Wasserstoffplasma ist unproblematisch und innerhalb eines Tages möglich.

Damit ist das IPP nun das einzige Institut weltweit, das an seinen Standorten Greifswald und Garching Fusionsexperimente beider Typen – Stellarator und Tokamak – betreibt. In beiden Aufbauten laufen die gleichen Fusionsreaktionen von Wasserstoff zu Helium ab. Der Unterschied besteht in den Magnetfeldern, die das Plasma einfangen. Im Tokamak sind sie rotationssymmetrisch, sodass die Geometrie der Magnetspulen einfach ist. Um das Plasma einzufangen, ist dann ein weiteres Feld nötig, das durch einen im Plasma fließenden Strom entsteht. Der Transformator, der diesen Strom induziert, muss regelmäßig entladen werden, sodass nur ein gepulster Betrieb möglich ist. Die Magnetfelder eines Stellarators wie Wendelstein 7-X besitzen dagegen eine wesentlich kompliziertere Geometrie. Die Felder fangen das Plasma dauerhaft ein – die Entwicklung der supraleitenden Magnetspulen erfordert aber aufwändige Computersimulationen.

Noch ist nicht klar, welcher Typ in Zukunft bei Fusionskraftwerken zum Einsatz kommt. Das Konzept des Tokamak hat etwas Vorsprung – Vor- und Nachteile sind bereits gut untersucht. Nach diesem Prinzip wird ITER arbeiten, das erste Fusionsexperiment, das mehr Energie erzeugen soll, als es verbraucht. Aber auch Wendelstein 7-X kann auf getestete Technologie zurückgreifen: Beim Aufbau der Anlage wandten die Plasmaphysiker des IPP Erfahrungen mit dem Vorgänger Wendelstein 7-AS (1988 – 2002) an. In Kooperation mit zahlreichen deutschen und internationalen Partnern, darunter das Forschungszentrum Jülich und das Karlsruher Institut für Technologie, entwickelt man die verschiedenen technischen Komponenten ständig weiter.

Für das kommende Jahr haben die Plasmaphysiker viele Pläne für Wendelstein 7-X. Die Magnetfeldgeometrie wollen sie nach den erfolgreichen Tests im Sommer 2015 beim Einschluss der Plasmen feinjustieren. Um die Plasmen möglichst schnell aufzuheizen, müssen sie verschiedene Heizungen testen. Außerdem ist bereits der erste Umbau geplant, bei dem Divertoren die bisher „nackte Wand“ des Plasmagefäßes ergänzen. Sie sorgen dafür, dass die Wände auch hohen Heizleistungen standhalten – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum geplanten Dauerbetrieb von bis zu 30 Minuten.

„Wir freuen uns sehr, dass wir jetzt endlich loslegen können“, freut sich Sibylle Günter. Der Termin, um ein erstes Plasma zu zünden, kam recht spontan zustande, da die Betriebsgenehmigung durch den TÜV auf sich warten ließ. Wendelstein 7-X muss Auflagen zur Betriebssicherheit und zum Strahlenschutz erfüllen. „Als dann vonseiten des TÜV alles in Ordnung war, wollten wir nicht länger warten“, sagt Sibylle Günter. Ein Festakt mit Gästen aus Wissenschaft und Politik ist am 27. Januar geplant – dann wird Wendelstein 7-X ein Wasserstoffplasma zünden.

Kerstin Sonnabend

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