mini|W7-X Computermodell mit Vakuumgefäß, Spulen und Plasma alt=Das letzte der fünf Module des Stellarator Experiments Wendelstein 7-X wurde Ende 2011 eingebaut.|mini|Einbau des letzten der fünf Module des Wendelstein 7-X Ende 2011 mini|Video: Wie arbeitet ein Kernfusionsreaktor? (mit Vergleich von Tokamak und Stellarator, sowie Wendelstein 7-X)
Wendelstein 7-X (W7-X) ist eine Experimentieranlage zur Erforschung der Kernfusionstechnik, die in Greifswald vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) betrieben wird.
Beschreibung Die Hauptkomponente ist ein Stellarator. Mit W7-X sollen die physikalischen und technischen Grundlagen untersucht sowie die prinzipielle Kraftwerkstauglichkeit von Kernfusionsreaktoren des Stellarator-Typs demonstriert werden; für eine nennenswerte Freisetzung von Fusionsenergie ist diese Anlage nicht vorgesehen. Andere Forschungsanlagen wie der im Bau befindliche ITER arbeiten nach dem Tokamak-Prinzip. Für welches Reaktorkonzept man sich bei einem zukünftig eventuell realisierbaren Fusionsleistungsreaktor entscheiden wird, ist zurzeit noch nicht abzusehen.
Kernstück der Anlage ist ein torusförmiger Magnetfeldkäfig mit einem Radius von 5,5 Metern, der das über 100 Millionen Grad heiße Plasma einschließt. Dieser Käfig besteht aus einem Kranz von 50 supraleitenden, etwa 3,5 Meter hohen Magnetspulen aus Niob-Titan. Die Masse des eingeschlossenen Plasmas beträgt nur 5 bis 30 Milligramm, die sich auf ein Volumen von etwa 30 Kubikmetern verteilen.Einführung – der Stellarator Wendelstein 7-X, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik. Abgerufen am 8. Januar 2016. Die Anlage ist neben dem Large Helical Device in Japan die weltweit größte Forschungsanlage vom Typ Stellarator.
In der Anlage wurde Ende 2015 das erste Helium-Plasma, Anfang 2016 das erste Wasserstoff-Plasma erzeugt. Um ein flexibles Experimentieren zu ermöglichen, verwendet Wendelstein 7-X im Gegensatz zu ITER und den für die Zukunft geplanten Kernfusionsreaktoren kein Gemisch aus Deuterium und radioaktivem Tritium, sondern in der ersten Experimentphase ein Plasma aus reinem gewöhnlichem Wasserstoff, so dass keine Neutronen freigesetzt werden. Später soll ein Protium-Deuterium-Gemisch verwendet werden, das dann zu Helium-3 oder Tritium fusioniert. Allerdings ist bei den geplanten Temperaturen und Dichten die Fusionsrate sehr gering, so dass nur wenige Neutronen freigesetzt werden. Die Aktivierung der Reaktormaterialien ist dadurch im Vergleich mit zukünftigen Leistungsreaktoren sehr gering. Das Experiment Wendelstein 7-X soll in erster Linie die Einschlusseigenschaften eines optimierten Stellarators sowie dessen Dauerbetriebsfähigkeit untersuchen. 2025 stellte das Fusionsprojekt in einer 43 Sekunden langen Entladung einen neuen Rekord des Tripelproduktes für langlebige Plasmen auf.
Geschichte und Namensgebung Für die frühen Stellarator-Experimente am Princeton-Labor für Plasmaphysik hatte man den Namen Matterhorn gewählt, als klar wurde, dass die Fusionsforschung so mühevoll werden würde wie eine Bergbesteigung. Die ersten deutschen Stellaratoren standen im bayerischen Garching bei München. Der Name des Berges Wendelstein in den Bayerischen Alpen wurde bereits Ende der 1950er-Jahre in Anspielung auf die Matterhorn-Experimente gewählt.WI-A, WI-B, WII-A, WII-B, W7-A, W7-AS: Auch die gewendelte, verdrillte Form der Magnetfeldlinien könnte bei der Benennung eine Rolle gespielt haben. Die Nummer 7 folgte auf die Stellaratoren der Typen 1 und 2 sowie die Experimente Wendelstein 3–6, die allerdings keine Stellaratoren waren.Max-Planck-Institut für Plasmaphysik. 50 Jahre Forschung für die Energie der Zukunft Der erste große Stellarator am IPP war im Jahr 1975 der W7-A. 1988 folgte W7-AS, der erste Stellarator mit optimierten, modularen Spulen. Wendelstein 7-X ist das direkte Nachfolgeexperiment von W7-AS, mit größeren Dimensionen und zahlreichen Verbesserungen.
Grundlagen und Ziele des Projekts
mini|Schematische Darstellung der angestrebten Form des Plasmas (gelb) mit dem Verlauf einer (beispielhaften) magnetischen Feldlinie auf der Plasmaoberfläche (grün) und des dafür erforderlichen Magnetspulensystems (blau) mini|Interview von Holger Klein mit dem wissenschaftlichen Leiter des Projekts Thomas Klinger (Mai 2014)
Mit der Fusionsforschung soll die Möglichkeit der kommerziellen Erzeugung von elektrischer Energie aus der Verschmelzung von Atomkernen erforscht werden. Die Energie der im Kernfusionsreaktor erzeugten freien Neutronen würde dazu in Wärmeenergie umgewandelt und wie in anderen Wärmekraftwerken in einer Turbine mit Generator zur Stromerzeugung genutzt.
Stellaratoren erzeugen das zum Einschließen des Plasmas nötige, torusförmige Magnetfeld und seine notwendige Verdrillung ausschließlich über außerhalb des Plasmagefäßes angeordnete stromdurchflossene Spulen. Damit sind Stellaratoren intrinsisch für kontinuierlichen Betrieb geeignet. Die Spulen des Wendelstein 7-X werden mit flüssigem Helium auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt und sind dadurch supraleitend. Ein einmal eingespeister Strom kann darin ohne elektrischen Widerstand beliebig lange fließen und das Magnetfeld dauerhaft aufrechterhalten. Obwohl Wendelstein 7-X die Eigenschaften von Plasmen im Dauerbetrieb untersuchen soll, ist die jeweilige Plasmadauer aus praktischen Gründen (Größe der benötigten Kühlanlage, Betriebskosten) auf jeweils maximal 30 Minuten begrenzt. Dies ist für die Experimente ausreichend, da sich vor Ablauf dieser Zeitspanne alle relevanten Prozesse im Gleichgewicht befinden.
Das zum Stellarator alternative Tokamak-Prinzip erzeugt die verdrillende Komponente des Magnetfeldes durch einen im Plasma selbst fließenden Strom, der im Plasmaring induziert werden muss (etwa wie in der Sekundärwicklung eines Transformators). Dadurch können Tokamaks zunächst nicht kontinuierlich, sondern nur im Pulsbetrieb arbeiten – beim derzeit im Bau befindlichen Experiment ITER werden Pulsdauern von etwa 400 s angestrebt. Ob und wie in Tokamaks ein Strom im Plasma dauerhaft aufrechterhalten werden kann, ist Gegenstand aktueller Forschung.
Technik und Daten
Wendelstein 7-X ist der größte einer neuen Generation sogenannter optimierter Stellaratoren. Diese nutzen die Gestaltungsmöglichkeiten eines Systems von modularen, nicht-ebenen Magnetfeldspulen. Das für Wendelstein 7-X entwickelte System aus 50 nicht-planaren Spulen nutzt fünf unterschiedliche Spulentypen. Das Magnetfeld, welches das heiße Plasma einschließt, kann hinsichtlich der für einen Reaktorbetrieb notwendigen Kriterien optimiert werden: Insbesondere schnelle heiße Plasmateilchen tendieren dazu, aus dem dreidimensional geformten Stellarator-Magnetfeld herauszudriften. Damit würde dem Plasma Energie verlorengehen und es würde auskühlen. In einem optimierten Stellarator kann dieser Effekt minimiert werden. In einem streng ringförmigen, d. h. kontinuierlich rotationssymmetrischen Magnetfeld wie im Tokamak ist dieses Driften der Teilchen bereits aus grundsätzlichen Gründen wesentlich weniger ausgeprägt. Diese optimierten Eigenschaften müssen auch dann erhalten bleiben, wenn mit steigender Temperatur und damit steigendem Druck das Plasma beginnt, das Magnetfeld zu beeinflussen, d. h. zu „verbeulen“. Insbesondere muss die durch den Druck bedingte Verschiebung des Plasmarings nach außen (dieser Vorgang ist vergleichbar einem Fahrradschlauch, der beim Aufpumpen ohne Mantel größer wird) minimiert werden. Minimiert werden müssen auch Instabilitäten des Plasmas, die durch die hohen Druckunterschiede zwischen innerem und äußerem Plasma angetrieben werden.
Wendelstein 7-X basiert dabei auf einem integrierten Optimierungs-Konzept, dem sogenannten HELIAS (HELIcally Advanced Stellarator), das auf früheren Wendelstein-Experimenten aufbaut und am IPP Garching Ende der 1980er-Jahre entwickelt wurde. Das gewählte sogenannte quasi-isodynamische Magnetfeld erfüllt die beiden oben genannten Kriterien gleichzeitig und erlaubt sogar noch darüber hinausgehende Optimierungen. Diese werden genutzt, um auch noch elektrische Ströme im Plasma zu minimieren, die von diesem selbst erzeugt werden, was zu einer weiteren Stabilisierung führt.
Das in Garching bis 2002 betriebene Vorläufer-Experiment Wendelstein 7-AS hatte trotz einer noch unvollständigen Optimierung bereits gezeigt, dass die Eigenschaften des Plasmas in der gewünschten Weise beeinflusst werden können. Im Rahmen des Projekts Wendelstein 7-X sollen die Richtigkeit dieses Optimierungskonzepts überprüft und darüber hinaus technische Vorbedingungen für den Dauerbetrieb eines heißen Fusionsplasmas untersucht werden: Es muss gezeigt werden, dass das dreidimensionale Magnetfeld trotz der Größe der Komponenten und der hohen Komplexität der Anlage mit ausreichender Genauigkeit und Symmetrie erzeugt werden kann. Zu große Abweichungen könnten einerseits zu lokalen Störungen im Magnetfeld (sogenannten magnetischen „Inseln“) führen oder zu einer unsymmetrischen Belastung der Wärmetauscher-Elemente der ersten Wand (Divertor) und damit zu deren Überhitzung. Dort vom Plasma durch sogenanntes Sputtern aus der Wand herausgeschlagene Atome würden das Plasma verunreinigen und auskühlen lassen. Alle dem Plasma zugewandten Komponenten – an hochbelasteten Stellen Graphitkacheln, ansonsten Edelstahlstrukturen – müssen wie später in einem kommerziellen Reaktor gekühlt werden. Gleichzeitig ist wenige Zentimeter dahinter der Betrieb der supraleitenden Magnetfeldspulen bei etwa −270 °C sicherzustellen. Heizung, Diagnostik und deren Überwachung müssen für den Dauerbetrieb in einem Reaktor entwickelt werden.
+ Technische Daten Wendelstein 7-X Mittlerer großer Radius des Plasmas 5,5 m Mittlerer kleiner Radius des Plasmas 0,53 m Volumen des Plasmas ≈ 30 m³ Masse des Plasmas 5–30 mg Erwartete Dichte des Plasmas bis zu 1,5 · 1020 Teilchen / m3 Erwartete Temperatur der Elektronen bis zu 150 Millionen K Erwartete Temperatur der Ionen bis zu 50 Millionen K Angestrebte Einschlussdauer(Langpuls-Betrieb) 30 min Volumen des Plasmagefäßes ≈ 50 m³ Vakuumgefäß Durchmesser: 16 m; Höhe: 5 m Magnetfeldstärke auf der Achse 3 Tesla Plasmaheizung(erste Betriebsphase) Mikrowellenheizung: 8 MWNeutralteilcheninjektion: max. 10 MW Plasmaheizung(Langpuls-Betrieb) Mikrowellenheizung: 10 MWNeutralteilcheninjektion: max. 10 MW (10-s-Pulse)
Komponenten des Stellarators mini|Eine der 50 supraleitenden nichtplanaren Magnetspulen vor der Montage (Durchmesser ≈ 3,5 m, Gewicht ≈ 6 t) mini|Vorbereitung und Vermessung einer der 20 supraleitenden planaren Spulen
Magnetsystem mini|Schematische Ansicht der 50 nichtplanaren Spulen (blau) und 20 planaren Spulen (braun). Das Stellarator-Magnetfeld hat bei W7-X eine fünfzählige Symmetrie; von oben betrachtet ist das Plasma daher nicht exakt kreisförmig, sondern tendiert zu einem Fünfeck. Das beruht auf den fünf gleichen Modulen, aus denen W7-X aufgebaut ist. Jedes Modul enthält zehn nicht-planare supraleitende Spulen und ist in sich nochmals klappsymmetrisch, so dass jeder Spulentyp im Modul doppelt vorkommt. Die insgesamt 50 nicht-planaren Spulen setzen sich daher aus nur fünf verschiedenen Typen zusammen, was Fertigung und Montage erleichtert. Obwohl dieses Magnetfeld zum Plasma-Einschluss ausreicht, ist W7-X mit weiteren Spulensystemen ausgerüstet, um das Magnetfeld variieren und ggf. für Experimente optimieren zu können: In jeder Modulhälfte erlauben zwei planare supraleitende Spulen, die gegensätzlich schräg stehen, je nach ihrer Verschaltung sowohl die toroidale Komponente und damit die Rotationstransformation zu variieren als auch ein zusätzliches Vertikalfeld zu erzeugen, mit dem das Plasma radial etwas verschoben werden kann.