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Gelungene Generalprobe für ITER: Eine internationale Forschungsgruppe hat am JET-Fusionsreaktor mehr Energie durch Kernfusion erzeugt als je zuvor.

Forschende des EUROfusion-Konsortiums – 4800 Experten, Studenten und Mitarbeiter aus ganz Europa – haben am Joint European Torus (JET) mehrfach eine Kernfusion mit Deuterium und Tritium gezündet und dabei 59 Megajoule an Fusionsenergie freigesetzt. Das ist mehr als das Doppelte des bisherigen Fusionsenergie-Rekords von 21,7 Megajoule, der dort 1997 aufgestellt wurde. Nach Angaben des Forschungsteams hielt der Plasmapuls fünf Sekunden.

Damit liegen die Wissenschaftler am JET zwar ein gutes Stück hinter den Plasma-Rekordbedingungen, die der Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) in Hefei Anfang Januar vermeldet hatte [1]. In dem experimentellen Kernfusionsreaktor konnte Ende des vergangenen Jahres 1056 Sekunden, also gut 17 Minuten lang eine Plasmatemperatur von 70 Millionen °C gehalten werden, berichtet das Institut für Plasmaphysik an der chinesischen Akademie der Wissenschaften (ASIPP). Allerdings haben die chinesischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesen Rekord mit einem reinem Wasserstoff-Plasma geschafft – also keine Fusionsreaktion gezündet.

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Mit den Ergebnissen sind sie dennoch extrem zufrieden. Denn die Experimente hätten erstmals gezeigt, dass Deuterium-Tritium-Plasma in einem Tokamak-Reaktor mit einer Beryllium-Wand hergestellt und erhalten werden kann. Fünf Sekunden scheint zwar kurz, aber es ist die maximale Operationszeit der Kupfer-Magnete im JET-Reaktor und des so genannten Divertors – eine Art Auspuff [9] für Teilchen, die der Wand des Gefäßes zu nahe kommen.

Fusionsreaktion: Dreimal mehr Energie hineingesteckt

Die begrenzte Energieausbeute sei nur durch die Konstruktion von JET gegeben – vor allem die Kupfermagnete. Da der internationale Forschungsreaktor ITER [11] mit supraleitenden Magneten ausgestattet wird, sind die Wissenschaftler zuversichtlich, auch die magische "break even"-Grenze bei der Energieerzeugung brechen zu können. Im JET mussten die Forschenden dreimal mehr Energie in die Fusionsreaktion stecken, als sie herausholen konnten. ITER soll dieses Verhältnis umdrehen: Das Ziel von ITER ist es, 500 Megawatt Energieausbeute über mindestens 300 Sekunden, und damit zehnmal mehr Energieausbeute zu gewinnen, als hineingesteckt wird.

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Bei einer Kernfusion wird so viel Energie frei, dass sich alle anderen Energiequellen recht mickerig ausnehmen. Technisch ist die Fusion allerdings eine riesige Herausforderung. Denn um Wasserstoff-Atome zu Helium zu verschmelzen, muss die elektrische Abstoßung zwischen den Atomkernen überwunden werden. Das geht zwar im Prinzip – aber nur, wenn das Gas extrem erhitzt wird. Dabei wird es zu einer diffusen Wolke aus durcheinanderfliegenden Elektronen und Atomkernen, dem sogenannten Plasma.

Wenn ausreichend viele Teilchen oft und heftig genug miteinander zusammenstoßen, fängt das Plasma an zu "brennen", sagen die Wissenschaftler. Das funktioniert etwa bei etwa 100 Millionen Grad und einer Plasmadichte von ungefähr 100 Billionen Teilchen pro Kubikzentimeter – entscheidend ist das Produkt dieser beiden Größen.

Damit ein erhitztes Plasma nicht einfach auseinanderfliegt, kann man es beispielsweise mit starken Magnetfeldern einsperren. In Tokamak-Reaktoren halten Magnete das Plasma in einem ringförmigen Torus. Ein stabförmiger "Solenoid"-Magnet in der Mitte treibt einen kreisförmigen Strom im Plasma, heizt es so weiter auf und hält es stabil. Das funktioniert aber nur, solange Strom durch den Solenoid fließt – der Betrieb des Tokamaks ist also gepulst.

Plasma hat seinen eigenen Kopf

Schon in den ersten Fusion-Experimenten in den 1970er Jahren zeigte sich jedoch schnell, dass das Plasma im Magnetfeld seinen eigenen Kopf hat: Es bildet Wirbel, Turbulenzen und Filamente, bricht aus dem Magnetfeld aus – und verliert bei all diesen Aktionen ständig Energie. Tokamaks wurden daher immer größer geplant, denn in großen Reaktoren machen sich kleine Störungen im Plasma nicht so stark bemerkbar. Ein Ergebnis der Experimente mit JET war denn auch, dass ein Reaktor, der auch als Kraftwerk genutzt werden könnte, erheblich größer werden müsste. Das ITER-Projekt, bei dem diese Erkenntnisse umgesetzt werden sollen, befindet sich jedoch noch immer im Bau.

Private Firmen versuchen, mit kleineren Reaktoren, [14] die zum Teil andere physikalische Prinzipien oder Geometrien nutzen, schneller zum Ziel zu kommen. Das ganz in der Nähe von JET beheimatete Tokomak Energy beispielsweise will mit einem "sphärischen Tokamak" [15] bereits 2025 Energie produzieren.

Bild 1 von 8

Fusionsrekord im JET (8 Bilder) [16]

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Fast alle diese Projekte müssen aber die Frage beantworten, wie die Wände des Reaktors beschaffen sein sollen. Denn ein großer Teil der Energie aus der Fusion steckt in schnellen, energiereichen Neutronen, die dabei frei werden. Im JET wurden nun erstmals Beschichtungen aus Beryllium getestet – und ein mit Wolfram überzogener Divertor. Auch diese Komponenten arbeiteten, wie die Modelle der Forschenden zuvor berechnet hatten.

Der britische Wissenschaftsminister George Freeman [18] feiert die internationale Zusammenarbeit bei den JET-Experimenten – wohl wissend, dass der Brexit die Zusammenarbeit mit der EU sehr viel schwieriger gemacht hat. Dass die britische Regierung mehrere hundert Millionen Pfund in die Fusionsforschung steckt, hängt auch damit zusammen, dass sie ausfallenden EU-Forschungsgelder kompensieren müssen. Mehr noch: Wenn ein derzeit verhandeltes Association Agreement zwischen der EU und Großbritannien über gemeinsame Forschung nicht zustande kommt, müsste JET Ende des Jahres dicht machen.

(jle [19])

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[1] https://www.heise.de/news/Chinesisches-Kernfusionsexperiment-haelt-17-Minuten-lang-70-Millionen-C-6316278.html
[2] https://www.heise.de/hintergrund/Kernfusion-Wie-Start-ups-die-Kraft-der-Sonne-zaehmen-6005933.html
[3] https://www.heise.de/news/Kernfusion-Forscher-machen-einen-grossen-Fortschritt-mit-brennendem-Plasma-6339972.html
[4] https://www.heise.de/news/Kernfusion-Japan-will-bis-2050-Reaktorprototyp-bauen-6321388.html
[5] https://www.heise.de/news/Chinesisches-Kernfusionsexperiment-haelt-17-Minuten-lang-70-Millionen-C-6316278.html
[6] https://www.heise.de/hintergrund/Zuendung-Forscher-feiern-Erfolg-in-Fusionsexperiment-6169058.html
[7] https://www.heise.de/hintergrund/Tech2go-Gezaehmte-Supernova-6041180.html
[8] https://www.heise.de/hintergrund/Fusionsenergie-Der-Joker-im-Energiepoker-4982295.html
[9] https://www.ipp.mpg.de/83087/divertor
[10] https://www.heise.de/Datenschutzerklaerung-der-Heise-Medien-GmbH-Co-KG-4860.html
[11] https://www.heise.de/news/Kernfusion-Montage-des-Reaktors-ITER-beginnt-4856696.html
[12] https://www.heise.de/
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[14] https://www.heise.de/hintergrund/Kernfusion-Wie-Start-ups-die-Kraft-der-Sonne-zaehmen-6005933.html
[15] https://www.heise.de/news/Fusionsenergie-General-Fusion-plant-Demonstrationsanlage-in-Grossbritannien-6109920.html
[16] https://www.heise.de/bilderstrecke/3280607.html?back=6362997
[17] https://www.heise.de/bilderstrecke/3280607.html?back=6362997
[18] https://www.nature.com/articles/d41586-021-02609-0
[19] mailto:jle@heise.de

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