Suchen nach: Fusionskraftwerk

Die Provence im Süden Frank­reichs ist vor allem bei Touristen bekannt: Die Kombination aus mildem mediterranen Klima und reizvollen Landschaften lockt jedes Jahr mehrere Millionen Besucher an. Seit mehr als zehn Jahren geht es auch im beschaulichen Ort Saint-Paul-lès-Durance immer internationaler zu. Allerdings sind es weniger Touristen als Physikerinnen und Physiker, die den Ort besuchen. Und sie kommen nicht zum Urlaub, sondern um die Fusionsforschung voranzutreiben. Denn unweit des französischen Kernforschungszentrums Cada­rache, in dem sich etwa 5000 Mit­arbeiter vor allem mit Kernspaltung beschäftigen, entsteht der Interna­tional Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Noch ist das Großexperiment nicht mehr als eine riesige Baustelle – mehrere hohe Baukräne in tief ausgehobenen Baugruben vermitteln einen Eindruck davon, wie aufwändig es ist, die Energiequelle unserer Sonne auf die Erde zu holen. Dass dies machbar ist, soll ITER zeigen. Dabei ist die Anlage nur ein Schritt zu nahezu unbegrenzt verfügbarer und „sauberer“ Energie aus Kernfusion – zahlreiche technische Herausforderungen warten auf dem langen Weg (lat. iter) vom Fusionsexperiment zum Fusionskraftwerk, das die neue Energiequelle auch kommerziell nutzen könnte.

Die Idee, die Fusion von Wasserstoff zu Helium als Energiequelle zu nutzen, stammt bereits aus den 1950er-Jahren. Etwa zeitgleich entwickelten Lyman Spitzer in den USA sowie Andrei D. Sacharow und Igor E. Tamm in der UdSSR Konzepte, um ein Plasma aus Deuterium und Tritium in einem Magnetfeld einzufangen. Ein toroidales und ein poloidales Feld halten die Teilchen auf geschlossenen Bahnen. Das poloidale Feld entsteht im Stellarator durch die Geometrie der Magnetspulen; im Tokamak wird es im Plasma induziert. Beide Konzepte werden heute noch verfolgt.1) Bei Temperaturen von 150 Millionen Kelvin – zehnmal heißer als im Innern der Sonne – entsteht durch Kernfusion Helium. Dabei wird Ener­gie frei, die in Form von Wärme eine Dampfturbine mit Stromgenerator antreiben könnte. Der instabile Brennstoff Tritium soll direkt im Fusionsreaktor aus Lithium entstehen. Rechenbeispiele zeigen, dass das Deuterium aus einer Badewanne voll Wasser und das Lithium aus einer Laptop-Batterie ausreichen, um auf diese Weise genug Energie zu gewinnen, um eine Familie 50 Jahre lang mit Strom zu versorgen. Die technische Umsetzung ist aber anspruchsvoll – beispielsweise treten die hohen Plasmatemperaturen in unmittelbarer Nachbarschaft supraleitender Magnetspulen auf, die bei Temperaturen von wenigen Kelvin betrieben werden. Ob es mit ITER tatsächlich gelingt, zehnmal mehr Energie zu erzeugen, als zum Heizen des Plasmas nötig ist, bleibt abzuwarten.
Momentan entsteht auf dem 42 Hektar großen ITER-Gelände die nötige Infrastruktur, um die Komponenten des Tokamak zusammenzufügen. „Bei jedem Besuch sieht es hier anders aus“, stellt Sibylle Günter, Direktorin des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP), erfreut fest. Die Dimensionen des Großprojekts zeigen sich auf den ersten Blick: Eindrucksvoll ragt das Stahlskelett der 60 Meter hohen und fast 100 Meter langen Fertigungshalle auf, das teilweise schon mit einer spiegelnden Außenschicht verkleidet ist. In dieser Halle werden an die neun Teile des Plasmagefäßes jeweils zwei supraleitende Magnetspulen montiert, bevor ein Kran die vorinstallierten Teile in das benachbarte Tokamak-Gebäude zur endgültigen Montage heben soll.2) Seine Bodenplatte ruht erdbebensicher auf 500 anti-seismischen Federungen (Abb. 1); nach und nach wachsen seine massiven Mauern aus Stahlbeton bis zur Bodenebene der Fertigungshalle...

Titelbild

30 Jahre ASDEX Upgrade

Editorial

Die Sonne auf die Erde holen?

• Sibylle Günter

Inhalt: Physik in unserer Zeit 3/2021

Treffpunkt Forschung

Aerosol‐Wolken‐Wechselwirkungen im Klimasystem

Anthropogene Aerosole kühlen unser Klima, insbesondere durch ihre
Wechselwirkungen mit Wolken. Die Kühlwirkung könnte jedoch
schwächer ausfallen als bisher gedacht, weil sie über die Lebensdauer
einer Wolke hinweg abnimmt.

• Fabian Hoffmann
• Franziska Glassmeier

Raum‐Zeit‐Kristall im Video

In den letzten Jahren konnte die Existenz von Raum‐Zeit‐Kristallen bewiesen werden. Diese Experimente waren jedoch auf extrem kleine Quantensysteme bei ultrakalten Temperaturen beschränkt. Nun ist es mit Hilfe eines Rasterröntgenmikroskops an der Synchrotronquelle BESSY II gelungen, eine raum‐zeit‐kristalline Struktur in einem mikrometer‐großen magnetischen Dünnfilm zu generieren und zu filmen.

• Nick Träger
• Joachim Gräfe

Quantensysteme lernen gemeinsames Rechnen

Quantencomputer besitzen heute erst wenige Qubits in einzelnen Aufbauten. Jetzt ist es gelungen, ein Quantengatter zwischen zwei Qubits in sechzig Metern Entfernung zu realisieren: ein Prototyp eines verteilt rechnenden Quantencomputers.

• Severin Daiss
• Gerhard Rempe

Virtuelles Bündel aus Gluonen

Forschern von CERN und Fermilab glückt der Nachweis des lang gesuchten Odderons.

Ein Orakel ohne Tentakel

Die statistische Modellierung der Fußball‐Europameisterschaft sagt Belgien die besten Titelchancen voraus.

• Andreas Heuer

Physics News

Artikel

Open Access

30 Jahre ASDEX Upgrade: Entwicklung der Grundlagen eines Tokamak‐Fusionskraftwerks

• Arne Kallenbach

Der Tokamak ASDEX Upgrade am Max‐Planck‐Institut für Plasmaphysik in Garching ist seit dreißig Jahren in Betrieb. In dieser Zeit wurde die Fusionsanlage immer weiter ausgebaut und verbessert. Inzwischen hat man zahlreiche gut diagnostizierte Szenarien für den Plasmabetrieb erarbeitet. Zusammen mit neu entwickelten Computercodes erlauben sie verlässliche Vorhersagen für ein Fusionskraftwerk.

(Foto: IPP, V. Rohde.)

Von der LED bis zur laserbasierten Lichtquelle: Moderne Lichtquellen für Projektion und Scheinwerfer

• Mathias Brümmer
• Ulrich Hartwig

Projektionsanwendungen stellen wegen der Erhaltungsgrößen der Optik besondere Anforderungen an ihre Lichtquelle. Dies führt dazu, dass selbst moderne Halbleiterlichtquellen der klassischen Lampe hier nur teilweise den Rang ablaufen können. Die stärksten neuen Lichtquellen basieren auf Laserdioden.

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Einstein wäre doppelt verblüfft: Quantenkorreliertes Licht in Gravitationswellen‐Observatorien

• Roman Schnabel

Quantenkorreliertes Licht offenbart die ganze Eigenart der Quantenphysik. Als völlig neue Hochtechnologie hat es sich nun in Gravitationswellen‐Observatorien erstmals als kostengünstiger im Vergleich zu Alternativen erwiesen.

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Das hölzerne Gelächter: Zur Physik von Xylophon und Marimba

• Leopold Mathelitsch
• Ivo Verovnik

Ein Spielzeug‐Xylophon ist meist das erste Instrument unserer Kindheit. Xylophone und Marimbas gab es bereits in der Antike. Ihre Klangeigenschaften basieren auf einem interessanten Schwingungsverhalten.

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Bose‐Einstein‐Kondensat aus Exzitonen? Zweidimensionale und Van‐der‐Waals‐Kristalle

• Ursula Wurstbauer
• Alexander W. Holleitner

Zweidimensionale Kristallsysteme faszinieren, weil sie stark ausgeprägte Vielteilchenphänomene bei den Ladungsträgern zeigen. Das boomende Forschungsgebiet konzentriert sich längst nicht mehr nur auf einlagige Kristallsysteme wie Graphen. Schichtweise aufeinandergestapelt, ermöglichen künstliche Van‐der‐Waals‐Kristalle eine Fülle neuartiger physikalischer Systeme. In halbleitenden Heterostrukturen gelang es uns nun, erste Hinweise für ein optisch generiertes Bose‐Einstein‐Kondensat von Exzitonen zu finden.

Vortrieb ohne Schraube: Magneto‐hydrodynamischer Bootsantrieb

• Hans Joachim Schlichting
• Jan Schlichting

Ein Bootsantrieb, der ohne lärmende Schraube auskommt? Der magneto‐hydrodynamische Antrieb macht es möglich.

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Radioaktive Emission von Protonen: Vor 50 Jahren

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Physik Schwarzer Löcher mit Trapped in Gravity: Smarte Physik

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Geheimnisvolle Farben im Fenster: Im Blickwinkel

• Hans Joachim Schlichting

Bücher

Max von Laue – Furchtlos und treu: Eine Biographie des Nobelpreisträgers für Physik

• Michael Schaaf

Biophysik der Ernährung – Eine Einführung

• Gert Heinrich

Historisches Rätsel

Data Scientist und Grobmotoriker: Historisches Rätsel

• Andreas Loos

Treffpunkt TV

Max Brod – Tycho Brahes Weg zu Gott: Physik & Literatur

• Aura Heydenreich

Vorschau auf Heft 4/2021