Nach erfolgreicher Wiederinbetriebnahme im Herbst 2022 hat das Greifswalder Kernfusionsexperiment ein wichtiges Ziel übertroffen. Im Jahr 2023 wurde ein Energieumsatz von 1 Gigajoule angestrebt. Jetzt haben die Forscher an Wendelstein 7-X sogar 1,3 Gigajoule und einen neuen Entladezeitrekord erzielt: Acht Minuten lang konnte das heiße Plasma aufrechterhalten werden.
Während der dreijährigen Fertigstellungsarbeiten, die im vergangenen Sommer zu Ende gingen, wurde Wendelstein 7-X vor allem mit einer Wasserkühlung für die Wandelemente und einem verbesserten Heizsystem ausgestattet. Letztere kann nun doppelt so viel Leistung in das Plasma einkoppeln wie bisher. Seitdem kann das Kernfusionsexperiment in neuen Parameterbereichen betrieben werden.
„Wir erforschen jetzt unseren Weg zu immer höheren Energiewerten“, erklärt Prof. Dr. Thomas Klinger, Leiter der Abteilung Stellaratortransport und -dynamik am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald. „Dabei müssen wir Schritt für Schritt vorgehen, um die Anlage nicht zu überlasten und zu beschädigen.“
Am 15. Februar 2023 erreichten die Forscher einen neuen Meilenstein: Erstmals konnten sie in diesem Gerät einen Energieumsatz von 1,3 Gigajoule erreichen. Das war das 17-fache des Bestwertes vor dem Umbau (75 Megajoule). Der Energieumsatz ergibt sich aus der eingekoppelten Heizleistung multipliziert mit der Dauer der Entladung. Nur wenn es gelingt, kontinuierlich große Energiemengen in das Plasma einzukoppeln und auch die dabei entstehende Wärme abzuführen, ist ein Kraftwerksbetrieb möglich.
Die Plasmaentladung dauerte acht Minuten
Um die größten Wärmeströme bei Wendelstein 7-X abzuführen, werden besonders hitzebeständige Divertor-Prallbleche eingesetzt. Sie sind Teil der Innenwand, die seit Fertigstellung der Anlage nun durch ein System von 6,8 Kilometern Wasserleitungen gekühlt wird. Keine andere Fusionsanlage der Welt verfügt derzeit über eine derart umfassend gekühlte Innenwand.
Die Plasmaheizung besteht aus drei Komponenten: der neu installierten Ionenheizung, der Heizung durch Neutralteilcheninjektion und der Elektronenmikrowellenheizung. Für den aktuellen Rekord war das Elektronen-Mikrowellen-Heizsystem besonders wichtig, weil es über mehrere Minuten große Energiemengen liefert.
Der Energieumsatz von 1,3 Gigajoule wurde mit einer durchschnittlichen Heizleistung von 2,7 Megawatt erreicht, wobei die Entladung 480 Sekunden dauerte. Auch das ist ein neuer Rekord für Wendelstein 7-X und einer der besten Werte weltweit. Wendelstein 7-X erreichte vor den Fertigstellungsarbeiten maximale Plasmazeiten von 100 Sekunden bei deutlich geringerer Heizleistung.
Innerhalb weniger Jahre soll der Energieumsatz an Wendelstein 7-X auf 18 Gigajoule gesteigert und das Plasma dann eine halbe Stunde lang stabil gehalten werden.
Bildnachweis: Max-Planck-Gesellschaft
Hintergrund der Kernfusion
Ziel der Fusionsforschung ist die Entwicklung eines klima- und umweltfreundlichen Kraftwerks. Ähnlich wie die Sonne soll sie aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnen. Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik verfolgt den Weg der magnetischen Fusion. Da das Fusionsfeuer erst bei Temperaturen über 100 Millionen Grad zündet, darf der Brennstoff – ein dünnes Wasserstoffplasma – nicht mit kalten Gefäßwänden in Berührung kommen.
Von Magnetfeldern gehalten, schwebt es nahezu berührungslos in einer Vakuumkammer. Der Magnetkäfig von Wendelstein 7-X besteht aus einem Ring aus 50 supraleitenden Magnetspulen. Es handelt sich um eine Stellarator-Anlage, bei der die speziellen Formen der Spulen das Ergebnis ausgefeilter Optimierungsrechnungen sind. Mit Hilfe dieser Spulen soll die Qualität des Plasmaeinschlusses in einem Stellarator das Niveau konkurrierender Tokamak-Anlagen erreichen.