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Das Sonnenfeuer auf die Erde bringen: Fusionsforschung

Auf dem Weg zum internationalen Fusionsreaktor

In Südfrankreich wird derzeit der internationale Fusionsreaktor ITER gebaut - für Fusionsforscher weltweit das wichtigste Großexperiment, denn ITER soll erstmalig etwa acht Minuten lang 500 Millionen Watt Fusionsleistung im Pulsbetrieb erzeugen. Mit ITER sollen die letzten Fragen vor dem Bau eines ersten Fusions-Demonstrationskraftwerks (DEMO) beantwortet werden, das nach ITER in Betrieb gehen soll. Ob dies gelingt und damit der Traum einer nahezu unerschöpflichen und sauberen Energiequelle der Realität ein Stück näher kommt, hängt wesentlich von der Widerstandsfähigkeit der Innenwände des Reaktors gegen hohe Belastungen durch Wärme und Plasmateilchen ab. Bei der Entwicklung geeigneter Wandkonzepte mit entsprechend widerstandsfähigen Wandmaterialien verfügen Jülicher Wissenschaftler über besondere Kompetenz.

Das Potential der Fusion ist enorm: Etwa zwei Liter Wasser und 250 Gramm Steine könnten den Energiebedarf einer vierköpfigen Familie in Deutschland ein Jahr lang decken. Vorausgesetzt, es gelänge, die Prozesse im Inneren der Sonne in Kraftwerken nachzubilden, also die Verschmelzung leichter Atomkerne für die Energieerzeugung nutzbar zu machen. Das ist das Ziel der Fusionsforschung. Der Vorteil: Die leichten Atomkerne Lithium und Deuterium sind einfach aus natürlichen Ressourcen zu gewinnen, die Prozesse der Fusion sind inhärent sicher und die Entstehung langlebiger radioaktiver Abfälle kann durch die Wahl geeigneter Werkstoffe beim Bau des Reaktors minimiert werden.

100 Millionen Grad heißes Plasma kontrollieren

Die Herausforderung besteht darin, die Bedingungen, wie sie im Inneren der Sonne herrschen, in einer Fusionsanlage nachzustellen, also 100 Millionen Grad heißes Plasma im Dauerbetrieb stabil zu halten - mit allen Prozessen, die sich zwischen Plasma und der umliegenden Brennkammerwand abspielen. Jülicher Wissenschaftler sind Experten in der Erforschung dieser sogenannten Plasma-Wand-Wechselwirkung, die einen Schlüssel darstellt bei der Konstruktion künftiger Fusionsanlagen. So auch beim Bau des derzeit wichtigsten Reaktors zur Fusionsforschung - dem Fusionsreaktor ITER. Er wird in internationaler Zusammenarbeit in Südfrankreich gebaut. "ITER" (lateinisch für "Weg") gilt als Meilenstein auf dem Weg zum Fusionsstrom aus der Steckdose. ITER soll erstmals 500 Millionen Watt Fusionsleistung im Pulsbetrieb etwa acht Minuten lang erzeugen.

Messverfahren und Modellierung für ITER

Für dieses Vorhaben entwickeln und testen Jülicher Forscher Messverfahren, mit denen sie zum Beispiel Temperaturen, Dichten, Magnetfelder, aber auch Verunreinigungen des Plasmas genauestens erfassen können; an Jülicher Supercomputern berechnen sie wichtige Parameter für das Design und den Aufbau künftiger Anlagen. Ein kritischer Punkt dabei ist die Auskleidung der Brennkammer. Jülicher Wissenschaftler untersuchen hierfür etwa, ob eine Brennkammerwand aus den Materialien Grafit und Wolfram der extrem hohen Belastung über Jahre hinweg standhalten würde. Denn an den am höchsten beanspruchten Wandbereichen, dem Divertor, rechnen sie mit Wärmeflüssen, die zehnmal höher sind als diejenigen in einer Flugzeugturbine oder an den Brennstäben eines Kernkraftwerks.

Als Folge von Instabilitäten im Plasma kann es für Bruchteile von Sekunden sogar zu noch stärkeren Wärmepulsen kommen. Außerdem müssen die Materialien auch noch der Neutronenstrahlung trotzen, die bei der Fusion prinzipbedingt entsteht. Im Divertor von ITER soll massives Wolfram zum Einsatz kommen, das von Jülicher Wissenschaftlern und Ingenieuren mitentwickelt und das nun in JET getestet wird. JET (Joint European Torus) in der Nähe von Oxford in Großbritannien ist heute das größte und erfolgreichste Fusionsexperiment der Welt. Das Forschungszentrum Jülich ist stark am Betrieb dieses wichtigen ITER-Vorläufers beteiligt.

Stellarator Wendelstein 7-X könnte Alternative zum Tokamak sein

Auch für eine Fusionsanlage in Deutschland ist die Jülicher Expertise gefragt: Der Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald soll die Realisierung eines Fusionsreaktors im Dauerbetrieb einen großen Schritt voran bringen. Das Forschungszentrum unterstützt das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik beim Aufbau dieses Experiments, indem es die Konstruktion und Fertigung wichtiger elektrotechnischer und mechanischer Komponenten übernommen hat. Jülich kann hier seine umfangreichen technologischen Erfahrungen beim Aufbau von Fusionsanlagen mit einbringen. Auch bei der wissenschaftlichen Nutzung von Wendelstein 7-X wird Jülich eine wichtige Rolle auf seinem Spezialgebiet der Plasma-Wand Wechselwirkung einnehmen. Die Inbetriebnahme beginnt in 2014. Der Stellarator gilt wegen seiner Vorteile beim Dauerbetrieb als eine attraktive Alternative zum Tokamak, dem bisher am weitesten fortgeschrittenen Fusionsreaktor-Typ.

Großgeräte der Fusionsforschung

Für ihre umfangreichen Experimente nutzen die Jülicher Wissenschaftler gemeinsam mit ihren Partnern in In- und Ausland sowohl nationale und internationalen Großgeräte der Fusionsforschung, als auch zahlreiche kleinere, spezialisierte Anlagen: In Jülich sind das die lineare Plasmaanlage PSI-2, die Wärmebelastungsexperimente JUDITH und MARION sowie diverse Laboreinrichtungen; in Deutschland der Tokamak ASDEX-upgrade in Garching und ab 2015 der Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald und im europäischen Umfeld insbesondere das europäische Großexperiment JET in Großbritannien sowie die lineare Hochflussanlage Magnum-PSI in den Niederlanden.

Weitere Informationen

zur Fusionsforschung am Institut für Energie- und Klimaforschung, Plasmaphysik (IEK-4)

Infomaterial zur Kernfusion (IEK-4)


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