Energiequellenschrumpf Forscher finden weg zu kompakteren Fusionskraftwerken

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Am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) hat man entdeckt, wie man Funsionsreaktoren kleiner und günstiger bauen könnte. Hier verraten Sie, wie das klappen könnte.

Der am weitesten fortgeschrittene Weg zur Energiegewinnung in einem Fusionskraftwerk führt über den internationalen Experimentalreaktor ITER, der gerade in Südfrankreich gebaut wird, so die Garchinger Forscher. Die Anlage verfolgt das sogenannte Tokamak-Prinzip. Das heißt, ein über 100 Millionen Grad heißes Fusionsplasma wird in ein magnetisches Feld eingeschlossen, das die Form eines Donuts hat. Dieses Konzept verhindert, dass das heiße Plasma mit der umschließenden Wand in Kontakt kommt und diese beschädigt. Als Blaupause für ITER und spätere Fusionskraftwerke dient das Experiment ASDEX Upgrade am IPP. Und dort lassen sich bereits heute Plasmabetriebszustände und Komponenten für spätere Kraftwerke erproben.

Fusionsplasma macht dem Divertor zu schaffen

Ein zentrales Element des Blaupausen-Experiments und aller modernen Magnetfusionsanlagen sei der sogenannte Divertor. Es handelt sich dabei um einen Teil der Gefäßwand, der besonders hitzebeständig ist, aber auch besonders aufwändig konstruiert. Am Divertor wird die Wärme aus dem Plasma geführt, heißt es weiter. In späteren Kraftwerken soll dort auch das Fusionsprodukt Helium-4 ausgeleitet werden. In dieser Wandregion ist die thermische Belastung aber besonders hoch. Die Divertor-Prallplatten von ASDEX Upgrade und auch von ITER sind deshalb aus Wolfram – dem chemischen Element mit der höchsten Schmelztemperatur überhaupt (3.422 °C).

Ohne entsprechende Gegenmaßnahmen würden aber 20 Prozent der Fusionsleistung im Plasma auf die Divertoroberflächen treffen. Und das mit etwa 200 Megawatt pro Quadratmeter, was den Bedingungen auf der Sonnenoberfläche ähnelt. Das Problem: Der Divertor in ITER und auch künftigen Fusionskraftwerken wird aber nur maximal 10 Megawatt pro Quadratmeter verkraften können. Deshalb werden dem Plasma geringe Mengen an Verunreinigungen (häufig Stickstoff) zugesetzt. Diese entziehen ihm den Großteil seiner Wärmenergie, indem sie diese in ultraviolettes Licht umwandeln. Trotzdem muss der Plasmarand (die sogenannte Separatrix) auf Abstand zum Divertor gehalten werden, um diesen zu schützen. Bislang waren das mindestens 25 Zentimeter (gemessen von der unteren Plasmaspitze – dem X-Punkt – bis zu den äußeren Kanten des Divertors).

Blauer X-Punkt-Strahler drückt Abstand auf 5 Zentimeter

Jetzt ist am IPP gelungen, die Distanz auf unter 5 Zentimeter zu verringern, ohne die Wand zu schädigen, wie betont wird. Die Experten setzen dafür gezielt den sogenannten X-Punkt-Strahler ein – ein Phänomen, das man vor rund 10 Jahren bei Experimenten an ASDEX Upgrade entdeckt hat. Der X-Punkt-Strahler tritt in dafür speziell geformten Magnetfeldkäfigen auf, wenn die Menge der Stickstoffverunreinigung einen bestimmten Wert überschreitet, so die Forscher. Es bildet sich dann ein kleines, dichtes, besonders stark im UV-Bereich strahlendes Volumen. Die zugesetzten Verunreinigung bringe dann zwar etwas schlechtere Plasmaeigenschaften, aber wenn der X-Punkt-Strahler durch Variation des Stickstoffeintrags gezielt platziert wird, könne man alles bei höheren Leistungen betreiben, ohne die Anlage zu schädigen.

In Kameraaufnahmen aus dem Vakuumgefäß ist der X-Punkt-Strahler (kurz: XPR – für X-Point Radiator) als blau leuchtender Ring im Plasma zu erkennen (siehe linke Bildhälfte), weil neben der UV-Strahlung auch sichtbares Licht emittiert wird. Man habe gezielt nach ihm gesucht, doch letztlich auch durch ein Quäntchen Zufall entdeckt. Denn versehentlich sind die Garchinger mit dem Plasmarand deutlich näher an den Divertor herangegangen, als geplant. Es habe überrascht, dass ASDEX Upgrade damit problemlos klargekommen sei. Weil sich der Effekt in weiteren Experimenten bestätigen ließ, weiß man jetzt, dass bei Einsatz des X-Punkt-Strahlers deutlich mehr Wärmeenergie in UV-Strahlung umgewandelt wird, als bisher angenommen. Das Plasma strahlt dann bis zu 90 Prozent der Energie in alle Richtungen ab.

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