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Kernfusionsanlage Wendelstein 7-X Energie aus Atomkern-Verschmelzung gewinnen

In der Kernfusions-Forschungsanlage Wendelstein 7-X in Greifswald träumt man von der umweltfreundlichen Energie-Erzeugung: der Kernfusion. Und der ist man jetzt einen Schritt näher gekommen.

Stand: 25.08.2017

Bau am Kernspaltungsexperiment "Wendelstein-7-X", Greifswald | Bild: picture-alliance/dpa

Energiegewinnung durch die Spaltung von Atomkernen im Kernreaktor eines Atomkraftwerks - diese Methode betreiben wir mit all ihren Nachteilen seit Jahrzehnten. Forscher weltweit sind jedoch schon ebenso lange auf der Jagd nach einer anderen Form von Kernenergie, die gewissermaßen das Gegenteil darstellt: Erzeugung von Energie durch das Verschmelzen von Atomkernen - der Kernfusion.

Der Traum ist die Entwicklung eines klima-und umweltfreundlichen Kraftwerks. Diesem Traum hat sich unter anderem das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) verschrieben. Der Weg dorthin ist ein langjähriges Experiment: die Kernfusionsanlage Wendelstein 7-X.

Auf dem Weg zum umweltfreundlichen Kraftwerk

Sonnenähnliche Prozesse

Sonne und Sterne betreiben die ganze Zeit Kernfusion: Unter enormen Druck und extrem hohen Temperaturen verschmelzen im Inneren eines Sterns Atomkerne miteinander und setzen dabei Unmengen an Energie frei - beispielsweise Licht und Wärme, die wir an einem Sonnentag auf der Haut spüren.

Energie-Erzeugung durch Kernfusion hätte enorme Vorteile: Zum Einen entsteht kaum radioaktiver Abfall. Und einmal in Gang gekommen, könnte der Fusionsprozess sich selbst in Gang halten - eine theoretisch unerschöpfliche Energiequelle.
Der Nachteil: Es ist unvorstellbar viel Energie nötig, um Atomkerne zur Verschmelzung zu bringen, bei der dann unvorstellbar viel mehr Energie frei wird. Und es ist sehr schwierig, den Prozess stabil zu halten.

Schwieriges Experiment in der Kernfusionsanlage

Plasma

Neben fest, flüssig oder gasförmig gilt Plasma als weiterer Aggregatszustand eines Stoffes, wenn seine Teilchen teilweise geladen (ionisiert) vorliegen.

Voraussetzung dafür, später Atomkerne verschmelzen zu können, ist zunächst die Erzeugung eines extrem heißen, stabilen Plasmas. In einem 725 Tonnen schweren, ringförmigen Plasmagefäß werden im Fusionsexperiment Wendelstein 7-X Wasserstoff und Deuterium (schwerer Wasserstoff) auf etwa 100 Millionen Grad erhitzt, bis Wasserstoff-Plasma entsteht.

Modell des Plasmas im Magnetfeld

Wenige Milligramm Plasma fließen durch einen Magnetring mit 16 Metern Durchmesser, bei dem 70 supraleitende Magnetspulen ein ringförmiges Magnetfeld erzeugen. Dieser Magnetring verhindert, dass das Plasma sich abkühlen kann, und hält es damit stabil. Und erst mit einem solch stabilen Plasma könnte man Kernfusion betreiben. Eine eigentliche Kernfusion ist in der Versuchsanlage in Greifswald jedoch nicht geplant. Die Wissenschaftler sollen lediglich das Verhalten des Plasmas unter Hochtemperatur erforschen.

Kernfusion im Reaktor - so geht's

Magnetischer Einschluss

Um aus der Kernfusion technisch elektrische Energie zu gewinnen, wird derzeit an der Fusion durch magnetischen Einschluss geforscht. Bei den heutigen Projekten werden leichtere Atomkerne in schwerere umgewandelt: die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium werden zu Helium-4. Die einzelnen Fusionsreaktionen erfolgen, wenn sich ein Deuterium- und ein Tritiumkern sehr nahe kommen. Dies ist nur bei Temperaturen um 100 Millionen Grad möglich. Bei diesen Temperaturen sind Ionen und Elektronen getrennt und bilden ein Plasma.

Anlagen in "Donut"-Form

Das Plasma würde sofort abkühlen, käme es beispielsweie mit einer kalten Wand in Berührung. Um es "einzuschließen" und die Abkühlung zu verhindern, nutzt man geeignet geformte Magnetfelder, die auf das elektrisch geladene Plasma einwirken und es von den Wänden abhalten. Tests zeigten, dass das Plasma am ungehindertsten in einer Magnetfeldanordnung fließen kann, die einem Rettungsring oder Donut gleicht - einem wulstartigen Ring, der sogenannten Torusform. In ihr werden die Magnetfeldlinien spiralförmig verdrillt. Auf dieser Grundlage wurden zwei Versuchsanlagentypen entwickelt: der Tokamak und der Stellarator.

Stellarator

Schon der Name soll an die Kernfusion als Energiequelle der Sterne erinnern. Beim Stellarator werden der Torus und die Magnetfeldspulen so verdrillt, dass der im Querschnitt des Ringes wirksame Anteil des Magnetfeldes durch die Spulen erzeugt wird.

Entsprechende Kernfusionsexperimente sind:
- der Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald
- der Heliotron LHD (Large Helical Device), der seit 1998 in Toki, Japan betrieben wird

Tokamak

Beim Tokamak werden der Torus und Magentfeldspulen so verdrillt, dass der im Querschnitt des Ringes wirksame Anteil des Magnetfeldes durch einen im Plasma induzierten Strom erzeugt wird.

Entsprechende Kernfusionsexperimente sind:
- der Tokamak JET (Joint European Tours), eine seit 1983 im britischen Culham betriebene Versuchanlage
- der Tokarnak ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), eine internationale Versuchsanlage im französischen Forschungszentrum Cadarache

Erste Experimentierphase: Sechs Sekunden Seligkeit

Magnetfeld von Wendelstein 7-X (Juli 2015)

Am 10. Dezember 2015 wurde in Wendelstein 7-X das erste Plasma erzeugt. Zunächst aus Helium, weil dieses Plasma leichter herzustellen war. Dann wurde zum eigentlichen Untersuchungsobjekt gewechselt: dem Wasserstoff-Plasma.

Im Juli 2016 gelang es den Wissenschaftlern in Greifswald erstmals, in der Fusionsanlage auch Wasserstoffplasma zu erzeugen, mit einer Pulsdauer von sechs Sekunden. Wendelstein 7-X konnte in dieser ersten Experimentierphase Temperaturen von bis zu hundert Millionen Grad für die Elektronen und zwanzig Millionen Grad für die Ionen erreichen.
Noch nicht genug, daher rüstete das MPP für Plasmaphysik nach.

Zweite Experimentierphase: 10 Sekunden und noch heißer

15 Monate lang wurde Wendestein 7-X so aufgerüstet, dass jetzt Temperaturen erzeugt werden können, die zur Kernfusion reichen können: Auf etwa 70 Millionen Grad sollen Elektronen und Ionen im Plasma erhitzt werden.

"Jetzt fahren wir Vollgas."

Projektleiter Thomas Klinger, Direktor am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Direktor des Max-Planck-Insituts für Plasmaphysik, Thomas Klinger

Im August 2017 läutete Institutsdirektor Thomas Klinger dann die zweite Experimentierphase ein, die bis Jahresende dauern soll. Das Ziel: Zehn Sekunden lang soll Wasserstoff-Plasma mit einer Temperatur von 70 Millionen Grad stabil gehalten werden. Dann wäre der Temperaturbereich erreicht, der für Kernfusionen benötigt wird.

Danach wird erneut an Wendelstein 7-X geschraubt werden, damit die Anlage fit für das nächste Etappenziel wird: Plasmen, die eine halbe Stunde lang stabil sind.

Wendelstein 7-X als Schlüsselexperiment

Die Kernfusionsanlage Wendelstein 7-X in Greifswald gilt derzeit als weltweit modernste Anlage des Fusionstyps Stellerator. Die Greifswalder Forscher wollen beweisen, dass ihr Fusionsreaktor mindestens genauso leistungsfähig ist wie ein paralleles Konzept, der Tokamak ITER in Frankreich. Die beiden Anlagetypen unterscheiden sich in der Erzeugung der Magnetfelder. Zudem soll der Stellarator im Gegensatz zum Tokamak den Vorteil haben, im Langzeitbetrieb dauerhaft Energie gewinnen zu können.

Langer Entwicklungsprozess

Wendelstein 7-X im Juni 2015

Die Planungen für Wendelstein 7-X begannen bereits 1996. 2005 begann der Bau der Kernfusionsanlage in Greifswald. Im April 2014 wurde nach einigen Verzögerungen die Hauptmontage abgeschlossen, anschließend in der Vorbetriebsphase die technischen Systeme getestet: das Vakuum in den Gefäßen, das Kühlsystem, die supraleitenden Spulen und das von ihnen erzeugte Magnetfeld sowie das Steuersystem, die Heizapparaturen und Messgeräte. Am 9. Dezember 2015 wurde der Forschungsanlage schließlich vom Landesamt für Gesundheit und Soziales in Rostock die Betriebsgenehmigung erteilt.

"Wir haben eine Pfadfinder-Funktion"

Direktor Thomas Klinger sieht seine Einrichtung als Vorreiter. Denn die technologischen Herausforderungen bei diesem Projekt waren enorm: Allein die Entwicklung und der Bau der eigenwillig geformten Magnetspulen hatten das Projekt um mehrere Jahre zurückgeworfen. Zunächst wurden Großkomponenten von der Industrie gefertigt, doch als diese Mängel aufwiesen und den Ansprüchen nicht genügten, wurde die Produktion ins Max-Planck-Institut geholt.

Kostspielig und umstritten

Als Wendelstein 7-X im Mai 2014 in die Vorbetriebsphase ging, hatte das Experiment bereits sieben Jahre Verspätung. Auf dem langen Weg verdopppelten sich die Kosten aufgrund der längeren Bauzeit von geplanten 500 Millionen Euro auf über eine Milliarde Euro (1.060 Mio.) von 1997 bis 2014. Zudem zweifelten Politiker und Umweltverbände an der Strahlensicherheit des Hallenbetons und forderten einen Projekt-Stopp, bis ein Gutachten des TÜV Süd diese Zweifel ausräumte. Kritiker halten die Anlage für ein Millionengrab, eine Entwicklung, die zu spät komme, viel zu teuer sei, zu riskant und eine eigentliche Energiewende verhindere. Statt Geld in die Fusionsforschung zu stecken, sollte es lieber in Speichermöglichkeiten für Wind- und Sonnenstrom investiert werden. Doch Klinger ist überzeugt, dass die regenerativen Energien allein nicht ausreichen werden, um den rasant steigenden Energiebedarf allein damit decken zu können.

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald

Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik wurde 1960 in Garching bei München gegründet. Ziel war die Fusionsforschung. Das Wissen sollte in den Bau späterer Kernkraftwerke einfließen, in denen Energie aus der Verschmelzung von Atomkernen gewonnen wurde. 1994 wurde in Greifswald das Teilinstitut gegründet, um dort mit Wendelstein 7-X das weltweit größte Fusionsexperiment vom Typ Stellerator aufzubauen.
Das Max-Planck-Institut ist Partner in einem internationalen Forschungsnetz, zu dem die USA, Japan, China, Russland und weitere europäische Länder gehören.

  • IQ - Wissenschaft und Forschung: Die Fusionsanlage läuft - Wendelstein 7-X hat den Betrieb aufgenommen. 11.12.2015, 18.05 Uhr, Bayern 2
  • nano: Zündung! Wendelstein 7-X erzeugt Wasserstoff-Plasma. 04.02.2016, 16:30 Uhr, ARD-alpha

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Kommentare

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Volker, Sonntag, 29.Oktober, 13:13 Uhr

5. Energie aus Atomkernverschmelzung

Seit Jahren verfolge ich den Aufbau und jetzt schließlich die Experimente am Wendelstein 7x. Im Jahr 2000 war ich in Greifswald und habe mir das Institut und die Experimentierhalle, in der eine Atrappe des Wendelstein stand, angesehen. Meine größte Hochachtung zolle ich den Greifswalder Wissenschaftlern. Leider findet das Prokt meiner Meinung nach nicht die ihm gebührende politische Beachtung. Es geht doch um die Energiesicherung der zukünftigen Generationen. Ohne die Nutzung der Kernenergie ist es niemals möglich, den Energiebedarf der Menschheit unter Beachtung der Klimaneutralität, zu decken! Wind und Sonne können nur punktuell zur Energiebereitstellung dienen, niemals jedoch werden sie komplexe und hochentwickelte Industrienationen mit der notwendigen Energie versorgen können. Der Hype, der hier in Deutschland um die "Erneuerbaren" gemacht wird, ist schlicht und einfach lächerllch und teuer. Das dafür aufgewendete Geld hätte alles in die Fusionsforschung gesteckt werden sollen.

Hans Maier, Donnerstag, 19.Oktober, 00:24 Uhr

4. Drücke die Daumen für eine bessere Energiewende

Die Energiewende in D kostet bis 2025 etwa 520 Milliarden Euro!
Ich als Verbraucher würde sehr gerne mehr Milliarden in einen echten Hoffungsträger investiert sehen, als in die erneuerbaren Energien. Ohne geeignete Speicher (und die wird es nicht geben) sind die erneuerebaren ein ultimatives Milliadren Grab..

Quietschfidelius , Freitag, 25.August, 17:02 Uhr

3. Wendelstein

Warum heisst die Anlage Wendelstein?

Franz Rickinger, Freitag, 05.Februar, 01:06 Uhr

2. Fusionsreaktroirrsinn I

Talabian-TerroristInnen stehen in Pakistan, weil sie an die dortige Atombomben wollen!
SS stand dereinst vor der Haustüre von Prof Heisenberg "Mitkommen und an der Atombombe arbeiten - oder ihre Familie kommt ins KZ".
Heisenberg und Andere hielten den einen, fanatischen NAZI-Physiker hin mit "Reaktorbombe? - Geht nicht!". Da veröffentlichten dumme US'ler, dass jenes U239 ein eigenes Element sei und C-F v. Weizsäcker entfuhr es: "Damit ist's möglich" - Er versuchte Buße als Philosoph.
Fusionsirrsinn; Wieder wird man vor der "Reaktorbombe"-Frage stehen; man kann was im Universum verstehen, was bislang unerklärt ist - ja. Längst wurden WissenschaftlerInnen gefoltert, die versehentlich "entdeckten".... und sie schwiegen! C-F hatte den Fusionsprozeß erklärt! H-Bombe war schlimmer als A-Bombe. Was käme nun, hä? Gefoltert werden macht keinen Spaß!
Hört endlich auf!
Die Menschheit braucht euren Fusionsirrsinnn nicht!
Es ist zu heiß und ihr wollt noch die Sonne auf die Erde holen?
Adio

  • Antwort von Ulrich Raumer, Freitag, 25.August, 18:10 Uhr

    Ein treffender Beitrag und zwar für die Prämisse: Wer keine Ahnung, sollte schweigen.
    Es wird keine Atombombe gezündet um den Prozess zu starten.
    Wird der Kernfusion die Energie erzogen, fällt sie in sich zusammen, nix mit Bomben, oder Explosionen.
    Allenfalls geht die Maschine zu Bruch. Nach der regulären Laufzeit bleibt etwa soviel leicht radioaktiver Abfall wie von einem Spital in derselben Zeit.
    Go on Wedelstein!

  • Antwort von Volker, Sonntag, 29.Oktober, 13:16 Uhr

    Ich habe selten so ein dummes Geschreibsel gelesen!!!

Huntius, Mittwoch, 03.Februar, 11:31 Uhr

1. Forschungsanlage

Diese Forschungsanlage ist sinnvoll und notwendig, weil es den Stillstand in der menschlichen Kreativität wieder beseitigen kann. Schon alleine deshalb lohnt sich 1 Milliarde. Wie viele Milliarden werden denn an anderer Stelle sinnlos verplempert, ohne dass es die positive Seite des Menschen stärkt? Der Energiewende tut diese Forschung übrigens keinen Abbruch. Möglicherweise können dadurch ja energetische Synergien genutzt werden? Kleine Visionen für die Zukunft sind mir persönlich allenfalls lieber als frühsteinzeitliche Verhaltensweisen Regierender.

  • Antwort von Volker, Sonntag, 29.Oktober, 13:19 Uhr

    Huntius, du hast so Recht. Leider gibt es in unsere heutigen Zeit viel zu wenige, die diesen derzeitigen Energie-Irrsin brandmarken.