Kernfusionsanlage Wendelstein 7-X Diese künstliche Sonne soll alle Energieprobleme lösen

Kann der Mensch die Kernfusion bändigen, die unsere Sonne scheinen lässt? Im Greifswalder Reaktor Wendelstein 7-X wollen Forscher heute eine 100 Millionen Grad heiße Atomsuppe minutenlang kontrollieren. Gelungen ist das bislang noch nie.

Aus Greifswald berichten und  (Video)

IPP/ Matthias Otte

180 Zentimeter dick sind die Betonwände, die der Besucher im Zickzack durchschreiten muss. Dann öffnet sich eine Halle, in der ein Raumschiff gelandet zu sein scheint. Zehn Meter hoch und zwanzig Meter breit ist das graue Ungetüm, das aus einem Wirrwarr von Metallstutzen, Schläuchen, Kabeln, Rohren, Ventilen und Thermoverkleidungen besteht.

Hier in Greifswald soll an diesem Donnerstag Forschungsgeschichte geschrieben werden.

Was aussieht wie eine Raumstation, ist der Fusionsreaktor Wendelstein 7-X, in dem Physiker extreme Temperaturen wie auf der Sonne erzeugen wollen. Es geht um die Bändigung der Kernfusion, die gewaltige Energien aus wenigen Gramm Wasserstoff freisetzt. Auf der Sonne fusionieren permanent Wasserstoffatome zu Helium, auf der Erde klappte das bislang nur unkontrolliert als Wasserstoffbombe. Die stärkste je auf der Erde gezündete Bombe nutzte Wasserstoff und war 4000 Mal stärker als die Atombombe von Hiroshima. Eine kontrollierte Kernfusion ist Forschern bislang nur für wenige Sekunden gelungen.

"Aus einem Gramm Wasserstoff können wir dieselbe Energiemenge gewinnen wie aus zehn Millionen Gramm Kohle", erklärt Thomas Klinger, Wissenschaftlicher Direktor der Anlage in Greifswald. Es gehe um die Erforschung einer neuen, bislang nicht nutzbaren Energieform. Fusionskraftwerke könnten langfristig das Energieproblem der Menschheit lösen.

Montage der Anlage (Dezember 2011): Die bronze- und silberfarbenen Magneten sollen das heiße Plasma von den Wänden fernhalten
IPP

Montage der Anlage (Dezember 2011): Die bronze- und silberfarbenen Magneten sollen das heiße Plasma von den Wänden fernhalten

Das erste Experiment in Greifswald soll an diesem Donnerstag stattfinden - doch Strom wird es keinen liefern trotz der rund 400 Millionen Euro, die die Anlage bislang gekostet hat. Sie ist mit etwa 16 Metern Durchmesser zu klein, um eine positive Energiebilanz zu erreichen. Das heißt: Man muss mehr Energie aufwenden, um im Innern solch extreme Temperaturen zu erzeugen, wie sie auf der Sonne herrschen, als Energie bei Fusionsreaktionen freigesetzt werden kann.

Heiße Suppe

Doch Wendelstein 7-X ist groß genug, um die komplexen Magnetfelder zu studieren, mit denen die Forscher das heiße Plasma in der Schwebe halten wollen. Plasma ist ein Aggregatzustand, bei dem sich die Elektronen aus den Wasserstoffatomen lösen. Es handelt sich, wenn man so will, um eine extrem heiße Suppe aus Elektronen und Atomkernen.

Greifswald und Kernphysik - das ist eine schon etwas längere Geschichte. Unweit des auf der grünen Wiese errichteten Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik war 1974 das Atomkraftwerk Lubmin in Betrieb gegangen - das größte AKW der DDR. Dann kamen Tschernobyl und der Zusammenbruch des Ostblocks, 1990 wurden die Meiler abgeschaltet. Bis heute läuft der aufwendige Rückbau. Die Kernspaltung hat es nicht zuletzt wegen der Sicherheitsrisiken und ihrer stark strahlenden Abfälle schwer.

Direktor Thomas Klinger vor Wendelstein 7-X: "Aus einem Gramm Wasserstoff können wir dieselbe Energiemenge gewinnen wie aus zehn Millionen Gramm Kohle."

Montage (Dezember 2011): Über 700 Tonnen schwer ist die Anlage. Durch 254 Stahlrohre und Stutzen kann das Plasma im Inneren der ringförmigen Kammer beobachtet und geheizt werden.

Aufbau des sogenannten Stellarators: Zentrale Elemente der Anlage sind 50 nichtebene (blau) und 20 ebene Magnetspulen (bronze). Alle werden auf minus 270 Grad gekühlt und sind supraleitend. Die Magneten erzeugen ein verdrilltes Feld, das das Plasma sicher einschließen soll.

Nichtebene Magnetspule vor dem Max-Planck-Institut in Greifswald: Das Konzept des Stellarators stammt aus den Fünfzigerjahren. Doch erst mithilfe leistungsstarker Computer konnten Physiker berechnen, wie die Magneten konstruiert und positioniert werden müssen, damit das Plasma nicht entwischen kann.

Messung im Juli: Das Foto zeigt die Leuchtspuren eines Elektronenstrahls auf seinem vielfachen Umlauf entlang einer Feldlinie durch das Plasmagefäß. Nun wollen Forscher erstmals ein Plasma in der Kammer erzeugen.

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald: Knapp 500 Mitarbeiter arbeiten unweit vom stillgelegten AKW Greifswald an der Nutzung einer neuen Primärenergieform.

Blick in die Torushalle: 180 Zentimeter dicke Außenmauern sollen Neutronen zurückhalten, die bei der Fusion von Wasserstoff- und Deuteriumatomen entstehen.

Notschalter am Eingang der Halle: "Wir haben die Probleme am Cern genau analysiert und glauben, dass Ähnliches hier nicht passiert", meint Klinger, wissenschaftlicher Direktor. Wo große Ströme, flüssiges Helium und ein heißes Plasma zusammenkommen, lässt sich das Risiko nicht auf Null senken.

Monteur in der Torushalle: Die Vielzahl an Kabeln, Rohren und Ventilen ist verwirrend.

Energiespender: Das Foto zeigt den Bereich des Stellarators, an dem die energiereiche Mikrowellenstrahlung in das Innere der Anlage gelangt. Sie soll das Plasma auf 100 Millionen Grad aufheizen.

Bei Wendelstein 7-X treffen Extreme aufeinander: Große Teile der Anlage sind dauerhaft auf minus 270 Grad Celsius heruntergekühlt und müssen aufwendig isoliert werden. Parallel wird eine Heizung mit bis zu zehn Megawatt das Plasma erzeugen.

Montage: Der Durchmesser liegt bei 16 Metern, die Höhe bei fünf Metern. Wegen diverser Kabel, Rohre und Zuführungen erstreckt sich die Anlage real über drei bis vier Stockwerke.

Halle im Überblick: Strom wird in Greifswald keiner erzeugt. Dafür ist die Anlage nicht groß genug. Bei einem Durchmesser von etwa 45 Metern wäre die Energieausbeute positiv. Das heißt: Bei der Kernfusion entstünde mehr Wärme als zum Erzeugen des Plasmas in das System gesteckt wurde.

Detail der Anlage: Weder Raumstation noch Atomreaktor. In Wendelstein 7-X wird das Plasma studiert, das Kernfusionen möglich macht.

Blick auf Wendelstein 7-X: Auf der Sonne fusionieren permanent Wasserstoffatome zu Helium, auf der Erde klappte das bislang nur unkontrolliert als Wasserstoffbombe, sieht man von den bislang nur wenige Sekunden dauernden Versuchen ab.

Doch strahlungsfrei wird auch Wendelstein 7-X nicht arbeiten - die 180 Zentimeter dicken Betonmauern sollen Neutronen zurückhalten, die bei der Fusion von Deuteriumatomen entstehen. Immerhin: Über Jahrtausende strahlende hochradioaktive Abfälle wird ein Fusionsreaktor nicht produzieren, selbst wenn er viel größer ist als Wendelstein.

Der Aufwand des Experiments ist aber auch schon in Greifswald immens: Weniger als ein Zehntelgramm Wasserstoff wollen die Forscher in den etwa 30 Kubikmeter fassenden Ring geben, in dem Vakuum herrscht. Der gesamte Torus aus Edelstahl ist innen mit Spezialkeramik ausgekleidet. Um den Torus herum winden sich 70 Magnetspulen. Flüssiges Helium kühlt sie auf minus 270 Grad - nur bei dieser Temperatur sind die Magneten supraleitend. Die Temperaturunterschiede auf engstem Raum sind extrem: Im Innern heißes Plasma - und drum herum 425 Tonnen Material samt Spulen nahe dem absoluten Nullpunkt.

Helme für Mitarbeiter und Besucher: Knapp 500 Menschen arbeiten für Wendelstein 7-X
SPIEGEL ONLINE

Helme für Mitarbeiter und Besucher: Knapp 500 Menschen arbeiten für Wendelstein 7-X

Das Plasma soll mit Mikrowellenstrahlung erzeugt werden, wie man sie auch aus Küchengeräten kennt. Die Heizung verbrät allerdings bis zu zehn Megawatt, genug um eine Kleinstadt mit Strom zu versorgen. Der Wasserstoff soll sich schließlich auf 100 Millionen Grad aufheizen - das von den riesigen Magneten erzeugte Feld muss verhindern, dass das Plasma mit dem Rand der Kammer in Berührung kommt. Denn dann würde es abkühlen und im Nu zusammenbrechen.

Die Max-Planck-Forscher verfolgen dabei einen Ansatz, der lange als unrealistisch galt. Beim Stellarator, wie der Reaktortyp von Wendelstein heißt, hält ein kompliziert verzwirbeltes Magnetfeld das Plasma in Schach. Ein solcher Reaktor kann prinzipiell im Dauerbetrieb arbeiten - anders als beim Typ Tokamak, zu dem auch der gerade in Südfrankreich gebaute Iter gehört. Dort ist das Magnetfeld viel einfacher konstruiert - ein solcher Reaktor erlaubt nur einen Pulsbetrieb ähnlich wie die Platte eines Ceranfelds. An, aus, an, aus - so sieht der Modus aus. In Greifswald sind bis zu 30 Minuten Dauerbetrieb geplant.

Computergrafik: 50 nichtebene Spulen (blau) und 20 ebene Spulen (bronze) erzeugen das verdrille Magnetfeld
IPP/ Dr. Christian Brandt

Computergrafik: 50 nichtebene Spulen (blau) und 20 ebene Spulen (bronze) erzeugen das verdrille Magnetfeld

Das Konzept des Stellarators stammt aus den Fünfzigerjahren. Doch erst mithilfe leistungsstarker Computer konnten Physiker berechnen, wie die Magneten konstruiert und positioniert werden müssen, damit das Plasma nicht entwischen kann. Nun muss Wendelstein 7-X beweisen, dass es tatsächlich funktioniert. "Ich bin überzeugt, dass wir eine gute Chance haben", sagt Thomas Klinger, Wissenschaftlicher Direktor.

Anfangs sind Fusionen ganz ausgeschlossen, denn es wird ausschließlich mit Helium oder Wasserstoff gearbeitet. Ab 2020 aber, wenn auch Deuterium zum Einsatz kommt, können Atomkerne vereinzelt verschmelzen - und dabei Neutronen abgeben, die dann von der Betonwand aufgefangen werden.

Wenn Wendelstein 7-X läuft, darf sich niemand in der gewaltigen Betonhalle aufhalten. Die mögliche Strahlung ist nur ein Problem, es könnten auch Defekte auftreten wie in den ersten Wochen am Cern-Beschleuniger LHC. Die Kombination von hohen Strömen, einer leistungsfähigen Heizung und flüssigem Helium auf engstem Raum ist nicht risikofrei. Am Cern hatte kurz nach Inbetriebnahme ein Kurzschluss Magneten zerstört und die Anlage für Monate stillgelegt.

Aufbau von Wendelstein 7-X im Zeitraffer

"Wir haben die Probleme am Cern genau analysiert und glauben, dass Ähnliches hier nicht passiert", meint Klinger. Gleichwohl ist ihm klar, dass nicht alles automatisch funktionieren muss, auch wenn die Komponenten vorab eingehend getestet wurden. "Es ist wie beim ersten Auftritt eines Orchesters. Jeder hat für sich geübt, jetzt soll zum ersten Mal eine Sinfonie gespielt werden."

Wie bei allen Großprojekten gab es auch bei Wendelstein 7-X Verzögerungen. Zum Baubeginn im Jahr 2005 hieß es, die Anlage solle 2011 Schritt für Schritt in Betrieb gehen. Doch der Termin konnte nicht gehalten werden. Viel größer sind freilich die Verzögerungen bei Iter, dem Fusionsreaktor im südfranzösischen Cadarache. Er sollte eigentlich 2017 fertig sein, nun ist von 2025 die Rede. Zudem sind die Kosten von ursprünglich fünf Milliarden auf mittlerweile 16 Milliarden explodiert. Im Vergleich dazu ist Wendelstein mit Gesamtkosten aus Bau und Betrieb von einer Milliarde Euro ein überschaubares Projekt.

Es gibt natürlich auch ganz grundsätzliche Kritik an der Fusionsanlage: Warum soll man Hunderte Millionen in eine Technik investieren, die womöglich auch 2050 noch nicht ausgereift genug ist, um im großen Maßstab Kraftwerke zu bauen? Man brauche die Fusionstechnik für die Energieversorgung nicht, sagte Corinna Cwielag, Landesgeschäftsführerin der Umweltschutzorganisation BUND.

Ganz ähnlich sieht das auch die Landtagsfraktion der Grünen in Mecklenburg-Vorpommern. "Das ist ein unangemessen hoher Mitteleinsatz", meint der Fraktionsvorsitzende Jürgen Suhr. Man hätte das Geld lieber in die Erforschung und Entwicklung erneuerbarer Energien stecken sollen.

Ob die Milliarde in Greifswald gut investiert ist oder nicht, kann derzeit niemand mit Gewissheit sagen. So ist das nun mal in der Grundlagenforschung.



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klauspeterstuder 10.12.2015
1. Technikgläubigkeit
Die Kernfusion verspricht grenzenlose Energie für die Zukunft. Ein unbegrenzter Rohstoff steht dafür zur Verfügung. Aber auch der Wasserstoff auf unserem Planeten ist begrenzt. Wir brauchen ihn zum Leben. In Form von Wasser. Wie viel davon verbrauchen wir pro Jahr, wenn das Experiment gelingt und wir unseren gesamten Energiebedarf durch die Kernfusion decken? Tausende Tonnen? Weniger oder mehr? Auf die Dauer sicher zu viel. Wie viel Wasserstoff benötigen die Wissenschaftler und Techniker allein für ihre Experimente?
go-west 10.12.2015
2. Die Äußerungen von BUND und den Grünen
sind mal wieder selbstentlarvend. Nach dem Motto : mit Windrädern, Photvoltaik, Wasserkraft, guter Isolierung und vor allem sehr viel Verzicht und Selbstbeschränkung schaffen wir das. Wenn alle so wie diese hochschlauen Köpfe denken würden, lebten wir heute noch in der Steinzeit.
_gimli_ 10.12.2015
3.
Ich drücke den Wissenschaftlern die Daumen, dass das Experiment erfolgreich verläuft. Die Kernfusion hat viel Potential, eine der maßgeblichen Energiequellen für die Zukunft der Menschheit darzustellen. Allerdings wurde bisher noch nicht bewiesen, dass die sehr komplexe Technik beherrschbar ist. Für die Zukunft bin ich aber zuversichtlich, dass dies gelingen wird.
stinkfisch1000 10.12.2015
4. Spannend
Sicher eine der interessantesten Großtechnologien für die Zukunft der Erde. Auch wenn es noch vierzig Jahre dauert, bis man einen wirklich serienreifen Reaktor bauen kann, sollte man nichts unversucht lassen, denn das würde die Energieprobleme der Erde auf einen Schlag lösen, ohne jahrhundertelang strahlenden Abfall zu hinterlassen. Physikalisch und technisch warscheinlich das Anspruchsvollste, an dem dem die Menschheit derzeit forscht. Schön wenn wir vorn mit dabei sein können.
treime 10.12.2015
5. Die Grünen...
... sind auch nicht mehr das, was sie mal waren. Leben in der Vergangenheit. Wenn man mal all die Subventionen die in der EU für Agrarwirtschaft & Co. rausgehauen werden, auf solche - mMn nötigen Projekte fokussiert würden... Dazu müßten die Forscher EU-weit auch gern zusammenarbeiten und nicht jeder sein Süppchen kochen.
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