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Kernfusionsforschung in Greifswald: Die 100-Millionen-Grad-Maschine

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Eine kontrollierte Kernfusion ist die große Hoffnung der Menschheit - alle Energieprobleme wären damit gelöst. Im Reaktor "Wendelstein 7-X" in Greifswald soll das Kunststück gelingen. Mit einem raffinierten Magnetfeld wollen die Forscher unfassbare 100 Millionen Grad Hitze bändigen.

IPP

Noch schrauben und schweißen die Arbeiter in der Plasmakammer. In drei Jahren sollen dort Temperaturen von 100 Millionen Grad herrschen. Bei dieser unvorstellbar großen Hitze verschmelzen Wasserstoffkerne zu Helium und setzen dabei riesige Mengen Energie frei.

Die Bedingungen einer solchen Kernfusion zu erzeugen - das ist das Ziel der Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald. In einer großen Halle am Rande der Hansestadt montieren sie die etwa 500 Tonnen schwere Maschine dafür. Der Rohbau steht, die Feinarbeiten werden bis 2014 dauern.

Die Erwartungen sind groß, denn die Kernfusion könnte das Energieproblem der Menschheit lösen. Der Brennstoff, die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium, ist in großen Mengen verfügbar, ein Kilogramm davon könnte so viel Strom liefern wie 11.000 Tonnen Kohle. Zudem stößt ein Fusionsreaktor kein CO2 aus - und anders als bei Kernkraftwerken fällt nur wenig Atommüll an, der zudem eher kurzzeitig strahlt.

Bei einer Kernfusion verschmelzen kleine Atomkerne zu größeren Atomkernen - was große Energiemengen freisetzt. Doch damit positiv geladene Kerne, die einander abstoßen, überhaupt fusionieren können, müssen sie unter enormem Druck stehen. Das ist im Innern der Sonne der Fall, wo Wasserstoff in Helium umgewandelt wird. Oder aber die Atomkerne werden auf Millionen Grad erhitzt, so dass sie mit hoher Geschwindigkeit zusammenstoßen und dabei verschmelzen.

Rasend schnelle Wasserstoffkerne

Die technischen Herausforderungen für einen Fusionsreaktor sind riesig. Weil so hohe Drucke wie im Inneren der Sonne kaum zu erreichen sind, wollen Physiker die Fusion mit hohen Temperaturen einleiten. Dabei verlieren die Wasserstoffatome die Elektronen aus der Atomhülle - sie werden zu Ionen. Dieser Zustand wird als Plasma bezeichnet.

Eine unkontrollierte Fusion ist kein Problem - die ersten Wasserstoffbomben wurden schon vor 60 Jahren gezündet. Um die Fusionsreaktion aber beherrschen zu können, muss das heiße Plasma zusammengehalten werden und darf auch nicht an Wände der Plasmakammer stoßen, weil es sich sofort abkühlen würde.

Und den benötigten Käfig für das Plasma, das wissen Physiker seit Jahrzehnten, kann nur ein starkes Magnetfeld bilden. Es zwingt die rasend schnellen Ionen und Elektronen, sich entlang der Magnetlinien zu bewegen. Wenn die Magnetlinien geschlossene Kreise bilden, ist das Plasma in dem Feld quasi eingefangen.

Das klingt einfach - doch bei den bisherigen Experimenten konnten die Forscher das Plasma kaum bändigen. Den bisherigen Rekord hält der "Jet"-Fusionsreaktor in Culham (England): Gerade mal zwei Sekunden dauerte die Fusionsreaktion, das Experiment liegt schon 15 Jahre zurück.

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Kernfusionsreaktor: Heißes Plasma im Magnetfeld
Die Greifswalder Fusionsforscher wollen das Plasma nun bis zu 30 Minuten in der Schwebe halten. Mit diversen Sensoren und Messinstrumenten möchten sie beobachten, wie sich das heiße, ionisierte Gas verhält. Das dabei gewonnene Wissen soll später in das Design eines Fusionsreaktors fließen, der eine richtige Kraftwerksturbine antreibt.

Bei der Greifswalder Anlage "Wendelstein 7-X" nutzen die Max-Planck-Forscher ein ganz spezielles Reaktordesign: Es handelt sich um einen sogenannten Stellarator, was man frei mit Sternenmaschine übersetzen kann. Denn auch im Inneren von Sternen (lateinisch "Stella") wie unserer Sonne läuft die Kernfusion im Dauerbetrieb.

Neben dem Stellarator gibt es noch einen zweiten Reaktortyp - den "Tokamak". Während beim Stellarator allein das äußere Magnetfeld das Plasma in der Schwebe hält, gibt es im "Tokamak" ein inneres und ein äußeres Magnetfeld. Das innere Magnetfeld wird durch Strompulse erzeugt, die durch Induktion in das Plasma geschickt werden. Beispiele für das "Tokamak"-Design sind der Reaktor "Jet" und der in Bau befindliche "Iter" in Südfrankreich.

Ein Dauerbetrieb ist beim "Tokamak"-Design allerdings nicht möglich, denn der Strom im Plasma wird nur so lange induziert, wie sich das äußere Magnetfeld ändert. Damit sich das Magnetfeld ändert, muss der Stromfluss durch die Spulen stetig steigen - was jedoch nur bis zu einer gewissen Grenze möglich ist. Dann wird der Strom in den Spulen abgeschaltet, der Plasmazustand endet und damit die Kernfusion. Sie muss danach wieder neu gezündet werden - man spricht von einem gepulsten Betrieb.

Beim Stellarator ist das anders, er ermöglicht prinzipiell einen Dauerbetrieb. Allerdings müssen dafür die Magnetfelder eine viel höhere Präzision besitzen. Die verschlungene Form der insgesamt 50 Magnetspulen haben die Wissenschaftler nur mit Hilfe von Supercomputern berechnen können. "Wir wollen zeigen, dass das Magnetfeld einen magnetischen Einschluss erzeugt, der mindestens so gut ist wie bei einem 'Tokamak' gleicher Größe", sagt Thomas Klinger, wissenschaftlicher Leiter von "Wendelstein 7-X".

Zum Starten des Reaktors muss das mehrere Dutzend Kubikmeter große Plasmagefäß komplett evakuiert werden. Auch in der äußeren Hülle, wo sich die supraleitenden Spulen befinden, muss Vakuum herrschen. Ansonsten wären die extremen Temperaturunterschiede von plus 100 Millionen Grad in der Plasmakammer und minus 270 Grad in den Magneten nicht beherrschbar.

"In die Kammer kommen dann 0,1 Gramm Wasserstoff und Deuterium", erklärt Klinger. Das Aufheizen dieser kleinen Gasmenge auf 100 Millionen Grad Celsius übernehmen zehn Mikrowellensender, die in einer Nebenhalle stehen. Jeder hat eine Leistung von einem Megawatt und ist damit 10.000-mal stärker als eine Mikrowelle, wie man sie aus der Küche kennt.

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1. .
frubi 17.11.2011
Zitat von sysopEine*kontrollierte Kernfusion ist die große Hoffnung der Menschheit - alle Energieprobleme wären damit gelöst.*Im Reaktor "Wendelstein 7-X" in Greifswald soll das Kunststück*gelingen. Mit einem raffinierten Magnetfeld wollen die Forscher*unfassbare 100 Millionen Grad Hitze bändigen. http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,797594,00.html
Ich wäre dafür, dass man den Etat für das Militär massiv zurückschrauben und das verfügbare Geld in solche Forschungsprojekte stecken sollte. Was bringen uns tote Afghanen, wenn man mit dem Geld auch etwas antsändiges anstellen könnte. Mich als Wissenschaftslaie faszinieren solche Dinge extrem und ich fänd es sehr schön, wenn es Deutschland solch eine zukunftsweisende Technik kommen würde.
2. ... eines Tages...
hyho 17.11.2011
wohl eher eines fernen Tages. nun ist ja seit Jahrzehnten jedem Interessierten und einigermaßen Informierten klar, daß das Problem der Bereitstellung von Energie angesichts der Ressourcenknappheit und der natürlich auch längst eingetretenen Klimakatastrophe nicht eines fernen Tages, sondern bald, eigentlich schon seit einiger Zeit gelöst werden muß. und da befassen sich unsere Wissenschaftler mit Tokamak und Stellarator. Dabei steht uns allen ein Fusionsreaktor zur Verfügung, der seine Bewährung seit fast 5 Milliarden Jahren und weitere 5 Milliarden Jahre bewiesen hat. Zur Erinnerung: vor mehr als 50 Jahren verkündeten die Wissenschaftler, daß man nach Erfindung der H-Bombe nun daran gehen werde, die Fusion so zu bändigen, daß "in ca. 20 Jahren" das Zeitalter der unermeßlich und sogar billig erzeugten Energie aus Kernfusion anbrechen könne. Nach Ablauf dieser 20 Jahre (der erste Kernspaltungsreaktor wurde übrigens nur 4 Jahre nach Entdeckung der U-Kernspaltung in Betrieb genommen!) kratzte sich so mancher dieser Wissenschaftler am Kopf und gab eine neue Schätzung ab: ab jetzt also noch ca. 30 Jahre bis zu Fusionsreaktor. Auch diese 30 (insgesamt also 50 Jahre sind nun vorbei, folgerichtig sagt man jetzt: in weiteren 50 Jahren könnte es so weit sein. Wieviel Phantasie braucht es, die Prognose im Jahre 2060 zu erraten? aber man ist vorsichtig geworden, es heißt heute schon: "eines Tages" (wohl wenn wirklich alles zu spät ist und alles Sinnvolle als Low-Tech und altmodisch abgetan worden ist). Wie es geht, die Energieprobleme der Welt zu lösen, liegt seit Jahrzehnten auf der Hand, man (also diejenigen, die bei allem und jedem nur daran denken, wie viel man damit verdienen kann) kann aber damit nicht genug Profit machen, das wirds wohl sein.
3. Sehr interessant
fabian03 17.11.2011
Zitat von sysopEine*kontrollierte Kernfusion ist die große Hoffnung der Menschheit - alle Energieprobleme wären damit gelöst.*Im Reaktor "Wendelstein 7-X" in Greifswald soll das Kunststück*gelingen. Mit einem raffinierten Magnetfeld wollen die Forscher*unfassbare 100 Millionen Grad Hitze bändigen. http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,797594,00.html
Klingt sehr interessant. Wenn da allerdings irgendeine radioaktive Strahlung bei vorkommt, und sei sie noch so unbedeutent, gebe ich dem Projekt in Deutschland keine Chance. Das werden unsere Ökofundis schon zu verhindern wissen, für die Lösung des Energieproblems im Rest der Welt könnte das aber ein wichtiger Schritt sein.
4. Energiewende gelungen?
Hubert Rudnick 17.11.2011
Zitat von sysopEine*kontrollierte Kernfusion ist die große Hoffnung der Menschheit - alle Energieprobleme wären damit gelöst.*Im Reaktor "Wendelstein 7-X" in Greifswald soll das Kunststück*gelingen. Mit einem raffinierten Magnetfeld wollen die Forscher*unfassbare 100 Millionen Grad Hitze bändigen. http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,797594,00.html
Kann man damit eine Energiewende bringen und wird man so die Energieprobleme der Zukunft im Griff haben? Aber wo gehobelt wird da gibt es dann auch Späne, oder atomaren Müll und wie sehen dabei die Risiken aus? Auch als man die einfache Kerntechnologie in Betrieb gesetzt hatte, da hat keiner von den Gefahren was wissen wollen und die Atomkraftwerken waren und sind nach wie vor bei den Betreibern laut ihrer Aussagen immer sicher, nur glaubt es ihnen keiner mehr. Also wo liegen nun hier die Schwerpunkte bei den Gefahren? Ich will ja nicht gleich alles in den Dreck ziehen, aber gutgläubig will und kann ich auch nicht mehr sein.
5. Wenn DAS gelingt,
linksdummer 17.11.2011
werdebn wir die albernen Windmühlen, die wir mit viel Geld aufgestellt haben, mit noch mehr Geld abreißen. Die Grünen werden erst ein dummes Gesicht machen und dann mit weißen Raumanzügen gegen Atom zu Felde ziehen,weil sie von Atom nix verstehen, außer das es gefährlich ist.
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"Iter": Milliardenschweres Großprojekt

Fusionsreaktor
Wasserstoff zu Helium
Bei der Kernfusion verschmelzen die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium unter Freisetzung großer Mengen Energie zu Helium. Deuterium ist zu einem kleinen Anteil in gewöhnlichem Wasser enthalten, Tritium muss der Reaktor selbst erzeugen, etwa aus Sand. Ein Gramm Brennstoff könnte nach Angaben des an "Iter" beteiligten Max-Planck-Instuituts für Plasmaphysik (IPP) in einem Kraftwerk 90.000 Kilowattstunden Energie erzeugen - die Verbrennungswärme von elf Tonnen Kohle. Sie wird abgeleitet und in Turbinen zur Stromerzeugung genutzt
Hitze statt Druck
Im Inneren der Sonne geschieht die Kernfusion unter dem ungeheuren Druck der Masse des Sterns. Im Fusionsreaktor muss der Mangel an Druck durch Temperatur ausgeglichen werden. Dort herrscht nur ein Druck von fünf Atmosphären. Dafür wird die Temperatur rund 100 Millionen Grad Celsius erreichen müssen.

Wie das am besten bewerkstelligt werden kann, wissen die Forscher noch nicht. Deshalb werden in "Iter" unterschiedliche Technologien eingebaut, die das Plasma aufheizen sollen - per Elektronenstrahl, Ionenstrahl oder Mikrowelle zum Beispiel. Bei "Wendelstein 7-X" kommen Mikrowellenstrahlen zum Einsatz.
Fotostrecke
US-Militärlabor: Kernfusion auf dem Labortisch


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