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Ausgabe 03/2021
Fusionsforschung

Wendelstein-Konzept bewährt sich

Eines der wichtigsten Optimierungsziele, die der Fusionsanlage Wendelstein 7-X zugrunde liegen, wurde jetzt bestätigt. Dies ergab eine Analyse von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Plasma­physik im Fachjournal Nature. Wendelstein 7-X, der vor fünf Jahren in Greifswald in Betrieb ging, soll zeigen, dass Anlagen vom Typ Stellarator kraftwerkstauglich sind.


Plasmagefäß der Fusionsanlage Wendelstein 7-X
(Foto: IPP, Jan Michael Hosan)

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Ähnlich wie die Sonne soll ein künftiges Fusionskraftwerk aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnen. Weil das Fusionsfeuer erst bei Temperaturen über 100 Millionen Grad zündet, darf der heiße Brenn­stoff – ein dünnes Wasserstoffplasma – nicht in Kontakt mit den kalten Gefäßwänden kommen. Von Magnetfeldern gehalten, schwebt er nahezu berührungsfrei im Inneren einer Vakuumkammer.

Um die Nachteile früherer Stellaratoren zu überwinden, wurde das Magnetfeld von Wendelstein 7-X mit großem Theorie- und Rechen­aufwand geplant. Unter anderem wollte man die sogenannten „neoklassischen“ Energieverluste des Plasmas senken, die durch die Welligkeit des Feldes zustande kommen. Sie lässt Plasmateilchen trotz ihrer Bindung an die magnetischen Feldlinien nach außen driften und verloren gehen – ein ernster Schwachpunkt konventioneller Stellaratoren. Daher wurde das Magnetfeld von Wendelstein 7-X mit geringer Welligkeit konzipiert.


Magnet-System von Wendelstein 7-X
(Grafik: IPP)
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Ob dies den gewünschten Erfolg bringt, unter­suchte ein Team um Dr. Craig Beidler jetzt anhand bisheriger Experimente. Mit den bislang verfügbaren Heizapparaturen konnte Wendelstein 7-X bereits Hochtemperatur-Plasmen erzeugen und den Stellarator-Weltrekord für das „Fusionsprodukt“ auf­stellen (siehe Energie-Perspektiven 2/2018).

Ein solches Rekord-Plasma wurde genauer untersucht: Die neoklassischen Verluste in der Energiebilanz machten hier 30 Prozent der Heizleistung aus. Ein Gedankenexperiment prüft nun die Wirkung der Optimierung. Angenommen wurde, dass die gleichen Plasmawerte und -profile, die zu dem Rekordergebnis bei Wendelstein 7-X führten, auch in Anlagen mit größerer Welligkeit des magnetischen Feldes erreicht wurden. Dann wurden die dort zu erwartenden neoklassischen Verluste berechnet – mit eindeutigem Ergebnis: Sie wären größer als die Heizleistung. „Diese physikalische Unmöglichkeit zeigt“, sagt Professor Per Helander, der Leiter des Bereichs Stellarator-Theorie, „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 diese Verluste erfolgreich absenkt“.

Allerdings liefen die Plasmaentladungen bislang nur für maximal 100 Sekunden. Um das Wendelstein-Konzept im Dauerbetrieb zu testen, wird zurzeit eine wassergekühlte Wandverkleidung eingebaut. So ausgerüstet, will man sich schrittweise an 30 Minuten lange Plasmen heranarbeiten. Dann lässt sich überprüfen, ob Wendelstein 7-X seine Optimierungsziele auch im Dauerbetrieb – dem wesentlichen Plus der Stellaratoren – erfüllen kann.

imi


Originalveröffentlichung
Beidler, C.D., Smith, H.M., Alonso, A. et al.: Demonstration of reduced neoclassical energy transport in Wendelstein 7-X. In: Nature 596, 221–226 (2021), DOI 10.1038/s41586-021-03687-w