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Wendelstein 7-X erzeugt Wasserstoffplasma

04.02.2016 | 10:50 Uhr |

Das Großexperiment zur Kernfusion in Greifswald macht Forschritte: Erstmals konnten die Forscher ein Plasma aus Wasserstoff erzeugen.

Update 4.2.: Nach dem erfolgreichen Experiment aus dem Dezember haben die Forscher an der Anlage Wendelstein 7-X einen weiteren Meilenstein erreicht. Gestern gelang es erstmals, ein Plasma aus Wasserstoff zu erzeugen und für etwa eine halbe Sekunde  aufrecht zu erhalten. Mit einem eher symbolischen Knopfdruck startete gestern Bundeskanzlerin Angela Merkel – in Quantenchemie promovierte Physikerin – die entscheidende Phase des Experiments. Dessen mittelfristiges Ziel ist nicht die Energieerzeugung, sondern erst einmal der Nachweis, dass der verwendete Reaktortyp Stellerator den Anforderungen der Kernfusion gewachsen ist. Anders als die bisher weiter erforschen Tokamak-Reaktoren ließen sich Stelleratoren mehr oder minder kontinuierlich betreiben und nicht nur in kurzen Pulsen. Mehr zu den Grundlagen der Fusion lesen Sie weiter unten.

Robert Wolf, einer der Direktoren des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Greifswald, formuliert gegenüber Heise , dass die Forscher den Kraftwerksbetrieb bereits simulieren würden. Bis zum Jahr 2020 wolle man das Plasma 30 Minuten lang aufrecht erhalten können, Energie werde man aus der Anlage aber keine ziehen, dazu sei sie zu klein. Bis die Kernfusion technisch genutzt werden könne, vergehen noch etliche Jahrzehnte. Dann könnte aber die vergleichsweise umweltfreundliche und maximal ressourcenschonende Technik aber für die Stromerzeugung aber nicht mehr nötig sein.

Update 11.12.: Das gestrige Experiment ist geglückt , erstmals haben die Forscher des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald in der neuen Anlage Wendelstein 7-X ein Plasma erzeugen können. Dafür nutzten sie nur etwa zehn Milligramm Helium, das mit Mikrowellen auf eine Million Grad aufgeheizt wurde und in einem Zustand, in dem die Elektronen der Hülle von ihren Kernen völlig getrennt sind, für mehrere Millisekunden verharrte. Eine Fusionreaktion kam nicht in Gang, das war auch nicht der Plan. Am ersten in Greifswald erzeugten Plasma wollten die Forscher neue Erkenntnisse über die Qualität der Magnetfelder gewinnen, die das Plasma einschließen - und von den Reaktorwänden fern halten. Gestern gelang das nur für Sekundenbruchteile, was völlig im Plan des Großexperiments liegt. Ziel ist es, das Plasma am Wendelstein 7-X bis zu 30 Minuten lang aufrecht zu erhalten. Im kommenden Jahr werde man mit Wasserstoff experimentieren, der in einem hypothetischen Fusionreaktor zum Einsatz käme – der aber deutlich größer sein müsste als die Greifswalder Versuchsanlage.

Originalmeldung vom 10. Dezember:

Technik von gestern oder schon von übermorgen? An der Großforschungsanlage Wendelstein 7-X in Greifswald wollen Forscher heute einen experimentellen Durchbruch bei der Erforschung der Kernfusion wagen wagen. Auch wenn das gelingen sollte, wäre eine technische Anwendung zur Stromerzeugung weiterhin Jahrzehnte entfernt, das Experiment soll aber wesentliche Erkenntnisse über die zur Aufrechterhaltung der Fusion notwendigen Magnetfelder liefern. Die Nettoenergiebilanz der bisher geglückten Fusionsexperimente war immer negativ: Für Fusionsversuche muss man wesentlich mehr Energie aufwenden, als bei der Reaktion frei werden.

Die grundsätzliche Idee der Kernfusion ist eine einfache und nutzt die Tatsache aus, dass der Kern eines Heliumatoms wesentlich leichter ist als die Summe seiner Bestandteile (ein bis zwei Neutronen und zwei Protonen). Die restliche Masse wird zur Bindungsenergie. Gelingt es nun, die insgesamt schwereren Wasserstoffkerne bei hohen Temperaturen zu einem leichteren Heliumkern zu verschmelzen, wird Energie frei. Dieser Vorgang ist der Grund, warum die Sonne (und auch alle anderen Sterne...) leuchtet, im industriellen Maßstab auf der Erde aber sehr schwer umzusetzen. Vereinfacht gesagt: Positiv geladene Wasserstoffkerne stoßen sich solange ab, bis sie in einem heißen Plasma ausreichend Energie gewonnen haben, um sich soweit anzunähern, dass die kurzreichweitige starke Kernkraft die elektromagnetische Abstoßung übertrifft. Dafür sind viele Millionen Grad notwendig.

Glücklicherweise sind das aber keine Zustände wie im Inneren der Sonne, denn dort herrscht zudem ein unvorstellbar hoher Gas- und Strahlungsdruck. In Fusionsreaktoren auf der Erde ist das hoch erhitzte Plasma - ein Materiezustand, in dem sich die Elektronen der Hülle von Gasatomen und -molekülen von ihren Kernen getrennt haben - relativ dünn. Technisch treffen also von einem Magnetfeld eingeschlossene und von elektrischen Feldern hochbeschleunigte positiv geladene Deuterium-Kerne (ein Proton, ein Neutron) auf ebensolche Tritium-Kerne (ein Proton, zwei Neutronen) und verschmelzen zu Helium-Kernen mit zwei Protonen. Das pro Reaktion übrig gebliebene Neutron (oder die zwei, wenn ein Helium-3-Kern entstand) tragen nun die überschüssige Energie.

Dereinst sollen diese Neutronen in technischen Anlagen dazu genutzt werden, Wasser zu erhitzen und mittels Dampfturbinen Strom zu erzeugen - an dieser Stelle ähnelt der Prozess dem in einem Kernkraftwerk, bei dem Uran- und Plutonium-Kerne gespalten werden und ebenso im Endeffekt schnelle Neutronen Wasser erhitzen. Nur kommt die Fusion in der Theorie mit deutlich weniger giftigen und strahlenden Endprodukten aus, die über Millionen von Jahre die Biosphäre gefährden würden. Ganz sauber ist die Technik dennoch nicht, der eingesetzten Rohstoffe Tritium (superschwerer Wasserstoff) ist ein radioaktiver Betastrahler. Zudem ist weitgehend unerforscht, welchen Schaden die frei werdende Neutronenstrahlung in der Reaktorumgebung anrichten kann. Eine großtechnische Anwendung ist sobald nicht denkbar. Anstatt den Energiegewinnungsprozess der Sonne nachzubauen ist es technisch, ökologisch und ökonomisch weit sinnvoller, die ohnehin auf dem Planeten einfallende Sonnenstrahlung zur Stromerzeugung zu nutzen. Letztlich ist auf der Erde alles Sonnenenergie, die Kohle, Flüssigkeiten und Gase, die wir verbrennen, über Jahrmillionen gesammelte und gespeicherte Sonnenenergie...

Welche Besonderheiten das Experiment in Greifswald noch aufweist und was dabei herauskommt, haben die Kollegen von Spiegel Online anschaulich erklärt.

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