Am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald laufen die Vakuumpumpen an: Das Kernfusionsexperiment Wendelstein 7-X ist nach zehnjähriger Montagezeit fertig aufgebaut – jetzt werden die letzten Betriebsvorbereitungen getroffen. Fallen alle Tests der einzelnen Teilsysteme der komplexen Maschine positiv aus, wollen die Techniker in etwa einem Jahr das erste Plasma zünden.

Wendelstein 7-X ist eine Fusionsanlage vom Typ "Stellarator". In den nächsten Jahrzehnten wird in Greifswald erforscht, ob dieses Konzept grundsätzlich für einen Kernfusionsreaktor geeignet ist. Der Stellarator unterscheidet sich in Funktionsweise und Aufbau von seinem Gegenstück Tokamak, der beispielsweise in Garching sowie am ITER in Frankreich untersucht wird. Beide Versionen schließen heißes Plasma durch einen kreisrunden Körper aus Magnetfeldspulen ein, doch entsteht beim Tokamak das Magnetfeld aus der Überlagerung von Magnetfeldern von Spulen um den Torus sowie durch einen Strom im Plasma längs des Torus. Beim Stellarator hingegen entsteht das einschließende Magnetfeld nur aus den Spulen, die den Torus umgeben, weshalb das Magnetfeld so lange aufrechterhalten werden kann, solange die Spulen eingeschaltet sind – der große Vorteil dieser Bauart.

Wendelstein 7-X: Modul des Außengefäßes
© Wolfgang Filser, IPP Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
(Ausschnitt)
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Im Schmelztiegel der Sonne herrschen 15 Millionen Kelvin. Im Fusionsreaktor Wendelstein 7-X sollen es einmal 100 Millionen Kelvin sein. Das Bild zeigt ein Modul des Außengefäßes. Durch seine mehr als 200 Öffnungen werden später Rohre, Kabel und Datenleitungen für Wasser, Helium, Strom und Sensoren führen.

Herzstück des Stellarators ist daher ein Kranz aus 50 Magnetspulen, die in einem Vakuum supraleitend betrieben werden. Die Spulen sind jedoch nicht kreissymmetrisch, sondern erzeugen einen bizarr verdrillten Ring, der das Plasmagefäß umschließt. Dieser Aufbau ist allerdings sehr komplex, denn es handelt sich um dreidimensionale gebogene Schleifen, deren Produktion sehr teuer ausfällt. Immerhin: "Jeweils zehn der Magnete haben die gleiche Form, was den hohen Aufwand bei der Konstruktion wieder etwas relativiert", erklärt Projektleiter Thomas Klinger. Erst in den 1980er Jahren entwickelten Physiker die theoretischen Grundlagen für diese Art des Fusionsreaktors, unterstützt von den ersten leistungsfähigen Großrechnern. Nun wollen sie zeigen, dass dieses spezielle Magnetfeld ein bis zu 130 Millionen Grad heißes Plasma aus Elektronen und Atomkernen einschließen und im Gleichgewicht halten kann – die grundlegende Voraussetzung für die Fusion der Atomkerne und den Betrieb eines Reaktors zur Energiegewinnung.

Bizarr verdrillte Magnetspulen

Zeit wird es wohl auch nach Meinung der beteiligten Mitglieder des MPI für Plasmaphysik: Sie blicken bislang auf zehn Jahre intensive Forschung mit einer Million Montagestunden zurück. "Alle sprechen von einem komplizierten Aufbau – ich würde ihn eher als aufwändig beschreiben", meint Klinger. Extrem viele technische Komponenten befinden sich auf engstem Raum. "Im Prinzip haben unsere Partner aus der Industrie mit technischen Standards gearbeitet. In manchen Punkten mussten wir sie aber an die Grenzen ihrer Möglichkeiten bringen", erzählt der Projektleiter.

Besonders für die Technik der Supraleitung des Vakuums müssen enorme Qualitätsstandards erfüllt werden. Bisher waren Schweißnähte von fünf bis sechs Millimetern Dicke das minimal Mögliche; für Wendelstein 7-X waren zwei Millimeter nötig und wurden dann auch realisiert.

So wurden die Komplexität und der Zeitrahmen des Projekts bei Montagebeginn im Jahr 2005 zunächst unterschätzt. Nach anfänglichen Schwierigkeiten entschied man sich daher, den Zeit- und Kostenplan als bislang einziges Forschungsprojekt einem vom TÜV zertifizierten Qualitätsmanagement zu unterstellen. "Im Institut herrschte dann ein neuer Geist: Wir mussten unglaublich viel dokumentieren und immer wieder prüfen", erinnert sich Klinger. "Letztendlich haben wir davon profitiert. Nicht zuletzt der Steuerzahler hat ein Recht darauf, dass die Verwendung der öffentlichen Gelder strengen Regeln unterliegt." Die Investitionskosten von 370 Millionen Euro übernehmen schließlich der Bund, das Land und die Europäische Union – mit den Betriebskosten von 1997 bis heute die erkleckliche Gesamtsumme von 1,06 Milliarden Euro.

Die letzten Tests vor Betriebsbeginn

"Jetzt ist unser Experiment fertig aufgebaut – doch wir können es nicht einfach einschalten wie eine Lampe", erklärt Klinger. "Zunächst müssen wir die einzelnen Subsysteme testen." Dazu gehört das Vakuum in den verschiedenen Bereichen des Experiments wie beispielsweise in den Verbindungsrohren mit mehreren Barrieren, die von außen ins Innere des Plasmagefäßes führen und die Kontrolle des Plasmas ermöglichen sollen. Und schließlich wird das Plasmagefäß selbst bis zum Vakuum ausgepumpt. Im nächsten Schritt werden die Magnete mit ihrer Stützstruktur – insgesamt 425 Tonnen schwer – auf 3,4 Kelvin und damit fast auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt. Das ermöglicht später den supraleitenden Betrieb der Spulen. Zuletzt werden die Magnete Schritt für Schritt hochgefahren und ihr Feld genauestens vermessen. Fallen alle Tests positiv aus, kann in etwa einem Jahr tatsächlich das erste Plasma gezündet werden.

Zunächst wollen die Wissenschaftler dann mit dem leicht zündbaren Helium beginnen – später folgen Experimente mit Wasserstoff und Deuterium. Plasmen dieser Elemente sind leicht handhabbar, und es müssen vergleichsweise wenige Strahlenschutzvorgaben eingehalten werden, was eine flexible Arbeit ermöglicht. Nur beim Betrieb mit Deuterium müssen im Plasma entstehende Neutronen mit Betonschutzwänden abgeschirmt werden.

Mit Wendelstein 7-X wollen die Physiker ausschließlich die Plasmaeigenschaften und das Prinzip des Stellarators selbst untersuchen. Die Verschmelzung der Atomkerne des Plasmas, um damit Energie zu erzeugen, testen sie dagegen nicht. "Diesen Schritt untersuchen bereits die Forscher der Tokamak-Experimente, deren Erkenntnisse im Bereich der Kernfusion weit gehend auf das Stellaratorprinzip übertragbar sind", so Klinger. Die Geometrie der Tokamaks ist dabei wesentlich simpler: Die Magnetspulen bilden einen symmetrischen Torus. Allerdings muss die asymmetrische Komponente des Magnetfelds eben durch einen zusätzlichen elektrischen Strom erzeugt werden, der im Plasma selbst fließt.

Nicht für dauerhaften Betrieb geeignet

Im Hinblick auf einen kommerziellen Fusionsreaktor hätte der Stellarator den entscheidenden Vorteil, dass man ihn leichter dauerhaft betreiben kann. Schon mit Wendelstein 7-X sind 30 Minuten lange Experimente geplant, während Tokamaks hingegen bisher nur gepulst – also wenige Minuten lang – arbeiten: Sie basieren auf elektrischer Induktion, bei der man den Primärstrom regelmäßig abschalten muss. Dadurch geht jedoch der Plasmaeinschluss verloren, die Kernfusion setzt aus und muss anschließend wieder neu gezündet werden, was ökonomisch und technisch widersinnig ist.

Kann der Stellarator also in den nächsten Jahren den Tokamak überflügeln? "Sicher ist nur, dass ein neuer Akteur die Bühne der Fusionsforschung betritt – er ist ganz anders und aufregend. Und wir sind alle sehr neugierig", schwärmt Klinger. "Beide Konzepte werden sich ergänzen, und vielleicht setzen sich am Ende beide durch." Allein mit Wendelstein 7-X sind allerdings 20 Jahre intensiver Forschung geplant. In diesem Zeitraum soll das Experiment weiter optimiert und bis ins letzte Detail verstanden werden. Bis zu einem Strom liefernden Fusionsreaktor bleibt der Weg allerdings noch weit.