Gar Nix: Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X / Montage des letzten Moduls

Die Erforschung der Kernfusion beschäftigt sich neben der Forschung an Kernfusionswaffen (Wasserstoffbomben) auch mit der Möglichkeit der kommerziellen Erzeugung von elektrischer Energie aus der Verschmelzung von Atomkernen. Die deutsche Kernfusionsexperimentieranlage Wendelstein 7-X steht in Greifswald.
Die Hauptkomponente ist ein experimenteller Kernfusionsreaktor der nach dem Stellarator-Prinzip aufgebaut wurde. Mit der Anlage sollen physikalische und technische Grundlagen erarbeitet und die Kraftwerkstauglichkeit von Fusionsanlagen dieses Typs demonstriert werden. Ziel ist, das Plasma möglichst lange in der Schwebe zu halten. Aufgeheizt werden soll es auf 100 Mio. Grad mit Mikrowellenstrahlen.

Um ein flexibles Experimentieren zu ermöglichen werden bei Wendelstein 7-X - im Gegensatz zu International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) und zu möglichen späteren Kernfusionsreaktoren noch kein Gemisch aus Deuterium (schwerer Wasserstoff) und radioaktivem Tritium (überschwerer Wasserstoff) eingesetzt. Damit können dort auch keine Deuterium-Tritium-Fusionsprozesse stattfinden. Es ist auch keine Energieerzeugung geplant.

Der Name Wendelstein wurde für diese Projektlinie in Anspielung auf frühere Stellarator-Experimente am Princeton-Labor für Plasmaphysik gewählt die unter dem Namen Matterhorn liefen. Weil die ersten deutschen Stellaratoren im bayerischen Garching standen, wurde der Name des Berges Wendelstein in den Bayerischen Alpen gewählt. Möglicherweise hat auch die gewendelte und verdrillte Form der Magnetfeldlinien bei der Benennung eine Rolle gespielt.

Wendelstein 7-X wird vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) gebaut. Neben dem Large Helical Device (LHD) in Japan ist es die weltweit größte Forschungsanlage des Typs Stellarator.

Das Projekt wird zu etwa 80% (672 Mio. Euro) aus nationalen Mitteln (vom deutschen Steuerzahler) und zu etwa 20% vom Euratom-Programm der EU (ca. 201 Mio. Euro) (also u.a. auch vom deutschen Steuerzahler) finanziert. Die nationale Finanzierung erfolgt im Verhältnis 9:1 durch den Bund (den deutschen Steuerzahler) und das Land Mecklenburg-Vorpommern (ca. 131 Mio. Euro) (also den deutschen Steuerzahler aus Mecklenburg-Vorpommern). Die Investitionen von 1997 bis 2014 betragen insgesamt etwa 370 Mio. Euro. Die Gesamtkosten für das IPP-Greifswald (Investitionen plus Betriebskosten) betragen für diese 18 Jahre 1,06 Mrd. Euro. Im Juli 2011 wurde bekannt, dass isch die USA im Rahmen des Programms "Innovative Approaches to Fusion" des US-amerikanischen Energieministeriums mit 7,5 Mio. Euro an Wendelstein 7-X beteiligen werden.

Wendelstein 7-X wird vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) gebaut. Neben dem Large Helical Device in Japan ist es die weltweit größte Forschungsanlage des Typs Stellarator.

Kooperationspartner

Frankreich

Französisches Kommissariat für Atomenergie und alternative Energien (CEA)

Deutschland

Forschungszentrum Jülich (FZJ)

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU)

Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST)

Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie, Stuttgart University (IGVP)

Karlsruher Institut für Technologien (KIT)

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Physikalische Technische Bundesanstalt Braunschweig (PTB)

Technische Universität Berlin

Universität Greifswald

Universität Rostock, Fachbereich Elektrotechnik

Großbritannien

Culham Centre for Fusion Energy (CCFE)

Italien

Consorzio RFX Padova

Istituto di Fisica del Plasma (CNR)

Japan

Kyoto University

National Institute for Fusion Science (NIFS)

Litauen

Lithuanian Energy Institute, Kaunas

Niederlande

FOM-Institute for Plasma Physics (Niederlande)

Technical University Eindhoven

Polen

Akademia Morska (MUS)

Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion (IPPLM in Warschau)

Institute of Nuclear Physics (INP) und National Centre for Nuclear Physics in Krakau

IPJ Swierk

University of Opole

Warsaw University of Technology

Portugal

Centro de Fusão Nuclear (CFN/IST)

Russland

Budker Institute of Nuclear Physics

Efremov Institute, St. Petersburg, Russia

A. F. Ioffe Physico-Technical Institute of the Russian Academy of Sciences

Institute of Applied Physics (IAP), Nizhnynovgorod

Spanien

Forschungszentrum für Energie, Umwelt und Technologie (CIEMAT)

Tschechische Republik

IPP Prague

Ungarn

Research Institute for Particle and Nuclear Physics (KFKI-RMKI)

USA

Los Alamos National Laboratory

National Institute for Fusion Science (NIFS)

Oak Ridge National Laboratory (ORNL)

Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL)

University of Wisconsin-Madison

Funktionsweise

Neben dem Stellaratorprinzip das bei Wendelstein 7-X erforscht werden soll gibt es noch das sogenannte Tokamak-Prinzip. Dort soll die verdrillende Komponente des Magnetfeldes durch einen im Plasma selbst fließenden Strom, der in den Plasmaring wie in der Sekundärwicklung eines Transformators induziert werden muss. Tokamaks können deshalb zuächst nicht kontinuierlich, sondern nur im Pulsbetrieb arbeiten. Beim Experiment ITER (derzeit [2015] im Bau) werden Pulsdauern von etwa 400 Sekunden angestrebt. Wie in Tokamaks ein Strom im Plasma dauerhaft aufrecht erhalten werden kann, ist Gegenstand aktueller Forschung.

Stellaratoren (Donutförmige [Fachwort: Torusförmige] Anlage zum magnetischen Einschluss eines heißen Plasmas) erzeugen das zum Einschließen des Plasmas (Atomares Teilchengemisch dessen Bestandteile teilweise oder vollständig in Ionen und Elektronen aufgeteilt sind) notwendige Magnetfeld und seine notwendige Verdrillung ausschließlich über außerhalb des Plasmagefäßes angeordnete stromdurchflossene Spulen.

Wendelstein 7-X ist der Größte einer neuen Generation sogenannter optimierter Stellaratoren. Diese nutzen die Gestaltungsmöglichkeiten eines Systems von modularen nicht-ebenen Magnetfeldspulen, um das Magnetfeld, welches das heiße Plasma einschließen soll, hinsichtlich der für einen Reaktorbetrieb notwendigen Kriterien zu optimieren. Das für Wendelstein 7-X entwickelte System aus 50 nicht-planaren Spulen, nutzt fünf unterschiedliche Spulentypen, die jeweils zehnmal verwendet werden.

Die Spulen bei Wendelstein 7-X sind supraleitend und mit flüssigem Helium gekühlt damit ein einmal eingespeister Strom "theoretisch" ohne elektrischen Widerstand beliebig lange fließen kann um das Magnetfeld dauerhaft aufrechtzuerhalten. Dadurch sind die Stellaratoren prinzipiell für einen kontinuierlichen Betrieb geeignet. In der Praxis ist bei Wendelstein 7-X die jeweilige "Plasmadauer" aus praktischen Gründen (Betriebskosten, Größe der notwendigen Kühlanlage) auf jeweils maximal 30 Minuten begrenzt. Dies soll ausreichend sein. Es wird angenommen dass sich vor Ablauf dieser Zeitspanne alle relevanten Prozesse im Gleichgewicht befinden.

Insbesondere schnelle und heiße Plasmateilchen tendieren dazu, aus dem dreidimensional geformten Magnetfeld des Stellarators herauszutriften. Damit würde dem Plasma Energie verlorengehen und es würde auskühlen. In einem optimierten Stellarator kann dieser Effekt minimiert werden. In einem streng ringförmigen, das heisst kontiniuerlich rotationssymmetrischen Magnetfeld wie im Tokamak ist dieses Driften der Teilchen bereits aus grundsätzlichen Gründen deutlich weniger ausgeprägt.

Die optimierten Eigenschaften müssen auch dann erhalten bleiben, wenn mit steigender Temperatur und damit steigendem Druck das Plasma beginnt, das Magnetfeld zu beeinflussen (zu verbeulen). Insbesondere muss die durch den Druck bedingte Verschiebung des Plasmarings nach außen minimiert werden. Vergleichbar ist das mit einem Fahrradschlauch, der beim Aufpumpen ohne Mantel größer wird. Minimiert werden müssen auch Instabilitäten des Plasmas, die durch die hohen Druckunterschiede zwischen innerem und äußerem Plasma angetrieben werden.

Die im Fussionsreaktor erzeugte Wärmeenergie soll dann über ein Kühlmittel in der ersten Wand und dann weiter über einen Wärmetauscher konventionell in einer Turbine mit Generator zur Stromerzeugung genutzt werden.

Das Magnetsystem

Das Stellarator-Magnetfeld hat bei W7-X eine fünfzählige Symmetrie. Das Plasma ist deshalb von oben betrachtet nicht genau kreisförmig, sondern tendiert zu einem Fünfeck. Das beruht auf den fünf gleichen Modulen, aus denen W7-X aufgebaut ist. Jedes Modul enthält zehn nicht-planare supraleitende Spulen und ist in sich nochmals klappsymmetrisch, so dass jeder Spulentyp im Modul doppelt vorkommt. Die insgesamt 50 nicht-planaren Spulen setzen sich daher aus nur fünf verschiedenen Typen zusammen, was Fertigung und Montage erleichtert. Obwohl dieses Magnetfeld zum Plasma-Einschluss ausreicht, ist W7-X mit weiteren Spulensystemen ausgerüstet, um das Magnetfeld variieren und ggf. für Experimente optimieren zu können:

In jeder Modulhälfte erlauben zwei planare supraleitende Spulen, die gegensätzlich schräg stehen, je nach ihrer Verschaltung sowohl die toroidale Komponente und damit die Rotationstransformation zu variieren, als auch ein zusätzliches Vertikalfeld zu erzeugen, mit dem das Plasma radial etwas verschoben werden kann.
Ein Fusionsreaktor benötigt einen Divertor, um Teilchen, die den inneren Einschlussbereich des Magnetfeldes verlassen, mittels einer Magnetfeldstruktur gezielt auf dafür vorgesehene Prallplatten zu lenken. Bei der für W7-X gewählten Konfiguration entstehen solche Strukturen als magnetische Inseln von selbst, ohne dass dafür wie in Tokamaks noch separate Divertorspulen benötigt werden. Um die Größe dieser magnetischen Inseln und damit die Verteilung der Belastung auf den Prallplatten variieren zu können, sind im Plasmagefäß dicht hinter jedem der zehn Divertoren normalleitende Zusatzspulen angebracht.
Außerhalb des Vakuumgefäßes wurden fünf normalleitende Trimmspulen installiert, die erlauben würden, eine eventuelle baubedingte Asymmetrie des Magnetfeldes auszugleichen und so eine ungleichmäßige Belastung der Divertoren zu verhindern.

In den supraleitenden nichtplanaren Spulen (Masse je etwa 6 t, Durchmesser jeweils etwa 3,5 m) fließt der Strom mit typischen Stromstärken um 20 kA in Fasern aus einer Niob-Titan-Legierung, die bei Temperaturen unterhalb 10 Kelvin supraleitend ist; erst oberhalb dieser Sprungtemperatur weist sie einen elektrischen Widerstand auf. Die NbTi-Fasern sind in Kupferdrähte eingebettet und zu einem etwa 1 cm dicken Kabel verdrillt, von dem sich je Spule 120 Windungen in einer Aluminiumhülle befinden. Dieses Kabel wird durch flüssiges Helium auf 4 K gekühlt, das bei Normaldruck in den feinen Kapillaren zwischen den Kupferdrähten fließt (Siedekühlung).

Alle supraleitenden Spulen wurden vor dem Zusammenbau unter Betriebsbedingungen hinsichtlich Temperatur, Supraleitung und Magnetfeld qualifiziert. Dabei wurden auch Quench-Tests durchgeführt. Bei einem Quench geht infolge einer lokalen Erwärmung die Supraleitung verloren: der Strom fließt dann in den normalleitenden Kupferadern der Spule, die vorsorglich für solche Fälle dimensioniert sein müssen. Dort fallen dann wegen der großen Stromstärken und des jetzt vorhandenen Widerstands hohe Spannungen an, die zusammen mit Restgas im Vakuum zu Spannungsüberschlägen führen und die Isolation beschädigen könnten. Um dies und eine Überhitzung der Spule bei einer solchen Störung zu vermeiden, wird laufend die Spannung an den Spulen gemessen und bei Auftreten eines kritischen Wertes der Strom außerhalb des Experiments in Widerstände gelenkt, um dort die Energie als Wärme abzugeben.

Plasmagefäß, Divertor und erste Wand

Die Gefäßwand aus Edelstahl folgt der dreidimensionalen Kontur des späteren Plasmas; im Vordergrund ist der Querschnitt eher dreieckförmig, im Hintergrund eher tropfenförmig. An der Wand sind Kühlrohre, Kabelabschirmungen und Diagnostik-Komponenten noch gut zu erkennen, da die gekühlten Wandschutzelemente davor erst später eingebaut werden.

Das Plasmagefäß aus Edelstahl ist der dreidimensionalen Form des Plasmas angepasst und trennt das Plasma vom Isoliervakuum, das die supraleitenden Spulen umgibt. Den Zugang von außen durch das Isoliervakuum zum Plasma erlauben 255 tunnelartige Öffnungen (Ports).

Plasmaseitig ist ein wassergekühlter Wandschutz vorgebaut: für hochbelastete Stellen – vor allem auf der Torusinnenseite – ein mit Graphitkacheln armierter Hitzeschild aus wassergekühlten CuCr1Zr-Platten (maximale lokale Belastung 500 kW/m2, mittlere Belastung 250 kW/m2), an geringer belasteten Stellen wasserdurchflossene Edelstahlpaneele (maximale lokale Belastung 200 kW pro Quadratmeter, mittlere Belastung 100 kW pro Quadratmeter).

Auf die wassergekühlten Prallplatten der insgesamt zehn Divertoren – pro Modul jeweils einer oben und unten – werden diejenigen Teilchen (z. B. das Fusionsprodukt Helium sowie unvermeidliche Verunreinigungen) gelenkt, die aus dem Einschlussgebiet des Magnetfeldes entfernt werden müssen. Die Prallplatten aus CFC (Carbon Fibre Carbon Composite) auf wassergekühlten CuCr1Zr-Fingern sind für eine lokale Wärmelast von 10 MW pro Quadratmeter im Langzeitbetrieb ausgelegt, was den Grenzen des technisch Realisierbaren entspricht. Die Geometrie des Divertors und des Magnetfeldes davor hilft, möglichst viel der Energie in Strahlung umzuwandeln und dadurch gleichmäßiger zu verteilen. Hinter dem Divertor eingebaute Pumpen helfen den Rückstrom von neutralisierten Wasserstoffatomen zurück ins Plasma zu kontrollieren. Neutrale Wasserstoffatome, die z. B. aus den Prallplatten ausgasen, werden vom Magnetfeld nicht beeinflusst und würden ansonsten möglicherweise die Teilchendichte im Zentralplasma unkontrolliert ansteigen lassen. Gleichzeitig wird das Eindringen von Verunreinigungen, die beim Aufprall der Plasmateilchen aus den Prallplatten herausgeschlagen werden, in das Hauptplasma erschwert.

In der ersten Experimentphase wird der endgültig vorgesehene Langpuls-Divertor (High Heatflux Divertor, HHF) zur Minimierung von Entwicklungsrisiken durch eine geometrisch identische, aber nur durch thermische Trägheit gekühlte Test Divertor Unit (TDU) ersetzt. Diese lässt zwar nur Versuchszeiten von etwa 10 s zu, ist aber unempfindlicher gegen kurzfristige lokale Überhitzung und erlaubt so, zunächst Erfahrung mit dem Divertorbetrieb zu sammeln und ggf. kritische Stellen hinsichtlich Überhitzung zu identifizieren. Für eine Dauerkühlung dürfen die Oberflächen der Prallplatten nicht zu weit vom Kühlwasser entfernt sein – d. h. die Prallplatten dürfen nicht zu dick sein – um die Temperaturdifferenzen zum Kühlwasser nicht zu groß und damit die Maximalttemperaturen nicht zu hoch werden zu lassen. Ein Divertor für den Dauerbetrieb ist daher überraschenderweise gegen kurzfristige Überhitzung empfindlicher als ein ungekühlter, der wegen seiner dickeren Wandstärke ein trägeres Temperaturverhalten hat.

Kryostat

Die supraleitenden Spulen und die sie tragenden Stahlstrukturen müssen sowohl gegen die Umgebung als auch gegen das heiße Plasma thermisch isoliert werden. Sie befinden sich dazu in einem sogenannten Kryostaten nach dem Prinzip einer Thermoskanne (allerdings ist hier – im Gegensatz zum heißen Tee – das kalte Objekt innen): Die Spulen befinden sich dazu in einem Vakuumtank, der durch das Plasmagefäß einerseits und das Außengefäß der Anlage andererseits gebildet wird. Kryoschilde umgeben die Spulen und halten – selber gekühlt – restliche Wärmestrahlung von ihnen ab. Den Zugang durch dieses Vakuumgefäß und zwischen den supraleitenden Spulen hindurch zum Plasma – etwa für Heizung, Kühlleitungen oder Diagnostik – ermöglichen 255 etwa 1,8 m lange ebenfalls wärmeisolierte Stutzen (sogenannte Ports).

Stützstrukturen

Sämtliche supraleitenden Spulen hängen an einer zentralen Ringstruktur und müssen auch gegeneinander abgestützt werden, da sie sich mit Abkühlen auf Arbeitstemperatur und mit dem Einschalten der Magnetfelder gegeneinander bewegen. Dabei treten zum Teil ganz erhebliche Kräfte auf, was die Anzahl der zulässigen Betriebszyklen der Maschine begrenzt. Um Materialermüdung zu vermeiden, wird man daher die Zahl der Konfigurationswechsel möglichst begrenzen und das mit Supraleitung erzeugte Magnetfeld jeweils über einen längeren Zeitraum (z. B. eine Woche) unverändert lassen. Insgesamt beträgt die Masse des Stellarators etwa 800 t, wovon 425 t kalt gefahren werden müssen. Ein Abkühlvorgang dauert voraussichtlich 1 bis 2 Wochen (1 bis 2 K pro Stunde).

Plasmaheizung

Wichtigste Heizmethode ist die Elektronen-Zyklotron-Resonanzheizung (ECRH) mit Mikrowellenstrahlen. Dabei werden die Elektronen, die sich im Magnetfeld aufgrund der Lorentzkraft auf Schraubenbahnen um die Feldlinien bewegen („gyrieren“), mit genau dieser Gyrationsfrequenz beschleunigt. Die verwendeten Magnetfelder haben eine Stärke von 2,5 T. W7-X ist hierfür mit zehn Gyrotronsendern ausgestattet, die bei der benötigten Gyrationsfrequenz von 140 GHz je einen Mikrowellenstrahl von etwa 1 MW erzeugen. Die Strahlen werden über eine Spiegeloptik in das Plasma gelenkt. Die für W7-X entwickelten und in der Mehrzahl bereits einsatzfähigen Sender sind die ersten Seriengyrotrons, die diese Leistung über eine halbe Stunde abgeben können.

Für kürzere Zeiten (jeweils 10 s lang, alle paar Minuten) stehen von Anfang an vier – in einer späteren Ausbaustufe acht – Neutralteilchen-Injektorquellen (PINIs) zur Verfügung, aufgeteilt auf zwei Injektorboxen. Dies sind Teilchenbeschleuniger für Wasserstoffionen mit nachgeschaltetem Neutralisator, so dass letztlich neutraler Wasserstoff in das Plasma injiziert wird. Die neutralen Atome können in das Magnetfeld eindringen; Ionen würden am Magnetfeld abgelenkt. Jede Quelle liefert etwa 1,5 MW in das Plasma.

Die in der ersten Operationsphase erreichbare Heizleistung ist durch die Anzahl der zunächst fünf zur Verfügung stehenden Hochspannungs-Versorgungen auf maximal 13 MW begrenzt. Diese Leistung wird über ein Umspannwerk aus dem Netz entnommen.

Versorgungseinrichtungen

Zur Versorgung des Stellarators dienen die Helium-Kryoanlage, die Systeme zur Wasserkühlung, die Vakuumpumpen sowie die Anlagen zur Bereitstellung elektrischer Energie.

Während der Experimente müssen trotz thermischer Dämmung 5 kW Wärmeleistung abgeführt werden, um die Magnete und ihre Abstützung (rund 425 Tonnen Material) auf Supraleitungstemperatur zu kühlen und kühl zu halten. Die Wärmeleistung ist durch die Restwärmeleitfähigkeit der eingesetzten Dämmwerkstoffe bedingt. Zudem muss das Kühlsystem hundertprozentig gasdicht sein, da sonst der gesamte Prozess zusammenbricht.

Die abzuführende Wärmeleistung erscheint zunächst gering, wegen der für den Prozess erforderlichen hohen Magnetfeldstärken sollen die Spulen aber länger als nur während eines 30-minütigen Plasma-Einschlusses supraleitend bleiben. Das sichere Abführen von 5 kW Wärmeleistung nahe dem absoluten Nullpunkt ist damit eine Aufgabe, die von einer üblichen Kältemaschine nicht geleistet werden kann. Flüssiges Helium dagegen erfüllt diesen Zweck, da es bei 4,22 K (−268,93 °C) siedet.

Montage

Die Entwicklung und der Bau des Stellarators mit seinen nichtplanaren supraleitenden Magnetspulen müssen als Teil des Projekts betrachtet werden.

Für jedes der fünf nahezu baugleichen Module – bestehend aus dem zugehörigen Segment des Plasmagefäßes, nach außen hin umgeben vom Kryoschild, Magnetspulen und Stützstrukturen – wurden außerhalb der Torushalle zwei Halbmodule vormontiert und dann zu einem Modul zusammengefügt und instrumentiert. Letzteres betrifft die Verrohrung der Helium-Kühlleitungen, Stromzuführungen und Hochspannungskabel sowie Diagnostiken zur Quench-Detektion, Sensoren für die Bewegung der supraleitenden Spulen in ihrem Magnetfeld oder kleine Spulen zur Messung der Magnetfeld-Veränderungen, die von im Plasma und im Plasmagefäß fließenden Strömen herrühren (Rogowskispulen). Die Bauzeit eines Moduls betrug insgesamt jeweils 28 Wochen, seine Masse etwa 100 t.

Zur Montage wurde jedes Modul in der Torushalle zunächst in die ebenfalls mit einem Kryoschild versehene untere Hälfte (Unterschale) des Vakuumgefäßes/Außengefäßes gehoben und dort die Instrumentierung vervollständigt. Diese Baugruppe wurde dann auf ihren endgültigen Platz auf dem Maschinenfundament (s. Bild) in der Experimenthalle gebracht, wo sie zunächst mit zusätzlichen Hilfsstützen gehalten werden musste, solange der zentrale Tragring nicht geschlossen war. Die anschließende Stutzenmontage verband Plasmagefäß und Außengefäß und war zeitraubend, da der Einbau der Stutzen mit ihren jeweiligen Strahlungsschilden und die notwendigen Schweißverbindungen unter vergleichsweise engen Bedingungen durchgeführt und qualifiziert werden musste, da alles anschließend nur noch bedingt zugänglich ist. Erst danach konnten die Module untereinander verbunden und nach Ende der Schweißarbeiten innen gereinigt werden, um mit der Montage der Komponenten im Plasmagefäß zu beginnen.

Wegen der geforderten Genauigkeit und der schlechten Zugänglichkeit im Fall einer nachträglichen Reparatur wurde die ganze Montage von ausführlichen Vermessungsarbeiten begleitet. Die komplexe Montage spiegelt auch den Experimentcharakter des W7-X wider, bei dessen Optimierung zunächst experimentelle Flexibilität vor technisch einfacherer Realisierbarkeit berücksichtigt wurde. Zudem muss die Gasdichtigkeit des Experimentes sichergestellt werden. Die Dichtheitsprüfung der verschiedenen Komponenten des Experimentes erfolgt mit den Testgasverfahren der DIN EN 1779 mit dem Edelgas Helium sowie mit einem am Institut entwickelten Partiellen Vakuumverfahren, dem sogenannten UST-Verfahrens.

Geplanter Betrieb

An die Montage schließt sich eine etwa neunmonatige Inbetriebnahme an, während der schrittweise Tests des Vakuums, der Helium-Kühlung und der Magnetfelder durchgeführt werden. Eine Vermessung des Magnetfeldes mit Elektronenstrahlen beendet den Aufbau des Stellarators. Nach Integration und Kalibrierung von Diagnostiken wird das Plasmagefäß zur Wandkonditionierung ausgeheizt. Am Beginn der Plasma-Experimente stehen technische Untersuchungen zum Plasmastart, zu Heizung und Diagnostik und zur Experimentsteuerung. Während der ersten Operationsphase (OP1) ist der langpulsfähige High Heatflux Divertor (HHF) noch durch eine geometrisch identische aber robustere ungekühlte Test Divertor Unit (TDU) ersetzt; die anderen Komponenten im Plasmagefäß sind nur teilweise gekühlt. Dies erlaubt nur einen Betrieb bis zu 10 s mit 8 MW ECRH- oder NBI-Heizung. Ziel der OP1 ist es, im Verlauf von voraussichtlich etwa eineinhalb Jahren die Richtigkeit der berechneten Optimierung experimentell zu überprüfen und dann ein integriertes Hoch-Dichte-Szenario als Basis für den in der zweiten Operationsphase (OP2) angestrebten Hochleistungs-Langpulsbetrieb zu entwickeln. Dazu nötig sind Kontrolle und Verständnis der magnetischen Konfiguration auch mit steigendem Plasmadruck, die Kontrolle der radialen Profile von Elektronen- bzw. Ionentemperatur und der Teilchendichte, sowie eine hinreichend niedrige Verunreinigungskonzentration im Plasmazentrum. Ein Schwerpunkt sind auf den Divertorbetrieb zugeschnittene Bedingungen am Plasmarand, insbesondere mit tolerablen Belastungen der Divertorplatten (targets). Vor Beginn der OP2 sind ein voraussichtlich 15 Monate dauernder Umbau zum gekühlten langpulsfähigen Divertor sowie zusätzliche Kühlmaßnahmen an weiteren Komponenten und Diagnostiken im Plasmagefäß vorgesehen.

Radioaktive Strahlung

Bei den Experimenten von Wendelstein 7-X sollen ausschließlich Plasmen aus Wasserstoff (H) und Deuterium (D) verwendet werden. Also kein Gemisch aus Deuterium und Tritium wie es für spätere Fusionsreaktoren notwendig wäre. Dieser Verzicht ermöglicht den Zugang zur Anlage und den sie umgebenden Instrumenten jeweils direkt nach Beendigung jedes Experiments und erleichtert somit Modifikationen für Folgeversuche. Während des Betriebes ist der Zugang zur Torushalle aus Sicherheitsgründen (Gefahr von Spannungsüberschlägen, tiefkalte Gase) generell nicht möglich.

Für den Normalbetrieb ist Wasserstoff als Arbeitsgas vorgesehen. Darüber hinaus sollen Experimente mit Deuterium durchgeführt werden, um auf die Eigenschaften eines Plasmagemisches aus Deuterium und Tritium zu extrapolieren. Dabei können in geringen Mengen Fusionsreaktionen zwischen Deuterium-Kernen auftreten, bei denen Neutronen freigesetzt werden. Um diese abzuschirmen, ist die Torushalle mit einer etwa 1,8 m dicken Wand aus boriertem Beton umgeben, mit dem Ziel, dass unmittelbar außerhalb der Torushalle kein Überwachungsbereich im Sinn des Strahlenschutzes entsteht, d. h., es kann gearbeitet werden, ohne dass einDosimeter zur Überwachung getragen werden muss.

In sehr geringer Menge können, wenn mit einem Deuteriumplasma gearbeitet wird, durch in der Anlage entstehenden Neutronen insbesondere Komponenten des Stahls (von Bedeutung ist Cobalt) aktiviert werden. Um dies zu minimieren und nicht im Lauf der Jahre allmählich den Zugang zur Anlage beschränken zu müssen, werden für Bauteile innerhalb der Betonhülle nur ausgesuchte Stahlsorten verwendet.

Durch die Bewegung der Elektronen und Ionen im Plasma entsteht außerdem Röntgenstrahlung, die aber bereits vom Plasmagefäß abgeschirmt wird.

Vorläufer-Experiment Wendelstein 7-AS

Wendelstein 7-X basiert auf einem integrierten Optimierungs-Konzept, dem sogenannten HELIAS (HELIcally Advanced Stellarator), das auf früheren Wendelstein-Experimenten aufbaut und am IPP Garching Ende der 1980er-Jahre entwickelt wurde. Das gewählte sogenannte quasi-isodynamische Magnetfeld erreicht die beiden oben genannten Kriterien gleichzeitig und erlaubt sogar noch darüber hinausgehende Freiheitsgrade. Diese werden genutzt, um auch noch elektrische Ströme im Plasma zu minimieren, die von diesem selbst erzeugt werden, was zu einer weiteren Stabilisierung führt.

Das in Garching bis 2002 betriebene Vorläufer-Experiment Wendelstein 7-AS hatte trotz einer noch unvollständigen Optimierung bereits gezeigt, dass die Eigenschaften des Plasmas in der gewünschten Weise beeinflusst werden. Im Rahmen des Projekts Wendelstein 7-X sollen die Richtigkeit dieses Optimierungskonzepts überprüft und darüber hinaus technische Vorbedingungen für den Dauerbetrieb eines heißen Fusionsplamas untersucht werden:

Es muss gezeigt werden, dass das dreidimensionale Magnetfeld trotz der Größe der Komponenten und der hohen Komplexität der Anlage mit ausreichender Genauigkeit und Symmetrie erzeugt werden kann. Zu große Abweichungen könnten einerseits zu Inseln im Plasma oder zu unsymmetrischer Belastung des Divertors und damit Überhitzung von Wandkomponenten führen. Davon durch sogenanntes Sputtern aus der Wand herausgeschlagene Atome würden das Plasma verunreinigen und auskühlen lassen.
Alle dem Plasma zugewandten Komponenten – an hochbelasteten Stellen Graphitkacheln, ansonsten Edelstahlstrukturen – müssen wie später in einem kommerziellen Reaktor gekühlt werden. Gleichzeitig ist wenige Zentimeter dahinter der Betrieb der supraleitenden Magnetfeldspulen bei etwa −270 °C sicherzustellen.
Heizung, Diagnostik und deren Überwachung müssen für den Dauerbetrieb in einem Reaktor entwickelt werden.

Geschichte

1988. Auf der IAEO-Konferenz in Nizza werden die Grundlagen eines Stellarators mit Optimierung des Magnetfeldes nach dem in Garching entwickelten HELIAS-Konzept durch nichtplanare und supraleitende Spulen vorgestellt.

August 1990. Das Konzept und die Grundlagen für das Experiment sind ausgearbeitet. Eine Bewerbung um Unterstützung durch die EU wird eingereicht. Im Umfeld der deutschen Wiedervereinigung war die Finanzierung eines solchen Projekts jedoch zunächst offen.

1994. Im Zuge des "Forschungsaufbaus Ost" wird vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald ein zweiter Standort gegründet.

Mai 1994. Eine versuchte Europäisierung scheitert trotz positiver internationaler Begutachtung und Empfehlung an die EU-Kommission.

1996. Die Option, das Projekt in den neuen Bundesländern zu installieren, führt über die Gründung eines IPP-Teilinstituts in Greifswald sowohl zur nationalen Finanzierung im Rahmen einer Verwaltungsvereinbarung zwischen dem Bundesforschungsministerium und den Kultusministerien von Mecklenburg-Vorpommern und Bayern als auch, nach einer zweiten europäischen Begutachtungsphase, zu einer Finanzierungszusage der EU-Kommission.

1997. Baubeginn des IPP-Teilinstituts in Greifswald.

April 2000. Der Neubau in Greifswald wird bezogen.

Bis 2002. Das Vorläufer-Experiment Wendelstein 7-AS ist in Betrieb.

Ende 2003. Die ersten Großkomponenten - eine nichtplanare supraleitende Spule und der erste Sektor des Plasmagefäßes – werden geliefert.

2004. Es zeichnet sich ab, dass der Übergang von bisherigen Großlabor-Experimenten zur Komplexität eines dauerhaft mit supraleitenden Spulen betriebenen Stellarators mit der Notwendigkeit, alle Komponenten im Gefäß zu kühlen, nicht in der Struktur einer W7-X-Aufbauabteilung mit Industriebetreuung realisierbar ist.

Die notwendige Umstrukturierung und personelle Verstärkung führt zur gegründeten Unternehmung W7-X mit insgesamt acht Teilbereichen, etwa 480 Mitarbeitern während der Bauphase und einem nach ISO 9001 zertifizierten und vom TÜV-Nord CERT seit 1/2010 regelmäßig überwachten Qualitätsmanagement. Dieses in einem wissenschaftlichen Experiment eher seltene Vorgehen wurde gewählt, um zu zeigen, wie trotz der Komplexität eines solchen Fusionanlage die geforderten technischen Eigenschaften dem Stand von Wissenschaft und Technik gemäß erreicht werden können. Das Qualitätsmanagement betrifft die Durchführung und Dokumentation aller Arbeits- und Designprozesse, die Spezifikation aller Komponenten und ihrer Schnittstellen, die Vergabe und Überwachung der Komponentenherstellung sowie den Umgang mit Qualitätsabweichungen und die Überwachung aller Montageschritte.

April 2005. Montage der ersten Halbmodule. Ein Ring aus 50 supraleitenden, etwa 3,5 Meter hohen Magnetspulen ist das Kernstück der Anlage. Ihre speziellen Formen sind das Ergebnis ausgefeilter Optimierungsrechnungen der Abteilung „Stellarator-Theorie“ und ihrer über zehnjährigen Suche nach einem besonders wärmeisolierenden magnetischen Käfig. Die Spulen sind auf ein stählernes Plasmagefäß aufgefädelt und von einer ringförmigen Stahlhülle umschlossen. In ihrem luftleer gepumpten Innenraum werden die Spulen mit flüssigem Helium auf Supraleitungstemperatur bis nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt. So verbrauchen sie nach dem Einschalten kaum Energie. Der von ihnen erzeugte Magnetfeldkäfig hält im Inneren des Plasmagefäßes das Forschungsobjekt der Wissenschaftler in Schwebe, das 30 Kubikmeter füllende ultra-dünne Plasma.

Herbst 2007. Der aktuelle Zeitplan sieht den Beginn der technischen Inbetriebnahme für Mai 2014 vor. Das erste Plasma soll April 2015 erzeugt werden.

2008. Die letzte der zehn supraleitenden nichtplanaren Spulen für das erste der fünf Module wird erfolgreich getestet und das Modul nach beendeter Vormontage auf seinen endgültigen Platz auf dem Maschinenfundament gebracht.

15. April 2011. Der Bundesrat beschließt, die Finanzierung der Fusionsforschung deutlich einzuschränken und stimmt damit einem Beschluss der Europäischen Atomgemeinschaft zu. Davon betroffen wären vor allem der Greifswalder Standort des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik und das Experiment "Wendelstein 7-X". Angela Merkel (Bundeskanzler) und Anette Schavan (Bundesforschungsminister) wollen die Mittel für "Wendelstein 7-X" jedoch nicht kürzen.

September 2011. Mit dem fünften Modul ist der Torus in der Experimentierhalle vollständig.

2012. Umweltverbände, Linke und Grüne äußern erhebliche Sicherheitsbedenken und Zweifel an der radioaktiven Abschirmleistung des Hallenbetons. Sie fordern einen Stopp der Fusionsforschung gefordert. Das Landesamt als Genehmigungsbehörde beauftragt daraufhin ein TÜV-Gutachten beim TÜV-Süd.

Oktober 2012. Das TÜV-Gutachten kommt nach der Auswertung von Probebohrkernen zu dem Schluss, dass die Anlage alle Anforderungen an den Strahlenschutz erfüllt. Die Kosten für das Gutachten in Höhe von 100.000 Euro muss das Institut übernehmen

Herbst 2012. Es beginnt die komplexe Montage der Komponenten innerhalb des Plasmagefäßes und der Aufbau der Peripherie in der Experimenthalle.

Februar 2013. Entsprechend den Anforderungen des Strahlenschutzes und in Vorbereitung der Betriebsgenehmigung der Forschungsanlage wird ein Strahlenschutzgutachten in Auftrag gegeben.

Mai 2013. Die letzte Schweißverbindung der Module wird geschlossen. Damit ist der Rohbau der Anlage fertiggestellt.

19. Mai 2014. Die Versuchsanlage ist weitgehend fertiggestellt. Der Reaktor wurde vor einigen Tagen verschlossen. Im Moment wird die enthaltene Luft abgepumpt um ein Vakuum zu erzeugen und die Experimente vorzubereiten. Danach soll die Abkühlung der gewundenen Magnetspulen auf minus 270 Grad und damit nahe dem absoluten Nullpunkt beginnen – Voraussetzung dafür, dass das Material supraleitend wird und das Plasma gelenkt werden kann.

Der Start der Vorbetriebsphase ist mit einem Umbau der Mitarbeiterstruktur verbunden. Die Zahl der Ingenieure und Techniker wird von 350 auf 210 reduziert, dafür werden mehr Wissenschaftler eingestellt.

Die Gesamtkosten für das Greifswalder Fusionsexperiment haben sich wegen der längeren Bauzeit von rund 500 Millionen auf über eine Milliarde Euro mehr als verdoppelt.

20. Mai 2014. Der Abschluss der Bauarbeiten wird heute gefeiert. Daran teilgenommen haben u.a. Erwin Sellering (Ministerpräsident von Mecklenburg-Vorpommern), Johanna Wanka (Bundesforschungsministerin) und Günther Oettinger (EU-Energiekommissar).

Die Betriebsgenehmigung zum Start der Experimente steht allerdings noch aus. Die Prüfung der knapp 1200 Seiten umfassenden Antragsunterlagen wird nach Angaben des zuständigen Landesamtes für Gesundheit und Soziales mehrere Monate beanspruchen.

7. Juli 2015. Die Tests der 70 Magnetspulen, einer Schlüsselkomponente in der Fusionsanlage, sind erfolgreich abgeschlossen. Weitere Tests sowie die Betriebsgenehmigung stehen noch aus. Im Magnetkäfig muss ein "Ultrahoch-Vakuum" erzeugt werden. Anfangs haben Techniker mehrere kleinere Lecks entdeckt, die nun geschlossen und geprüft werden. Zudem muss nach erfolgreichem Test der supraleitenden Magnetspulen das magnetische Feld ausgemessen werden, in dem später das bis zu 100 Millionen Grad heiße Plasma berührungsfrei schweben soll.
Nach Angaben des Landesamtes für Gesundheit und Soziales als zuständiger Genehmigungsbehörde wird eine Betriebsgenehmigung erteilt, wenn die Einhaltung der gesetzlichen Bestimmungen nachgewiesen ist. Nach derzeitigem Stand soll dies bis Ende 2015 zu erwarten sein.

30. November 2015. Die technischen Voraussetzungen für die Betriebsgenehmigung von Wendelstein 7-X sind erfüllt.

4. Dezember 2015. Wendelstein 7-X bekommt die Betriebsgenehmigung. Am 10. Dezember 2015 sollen die Experimente starten.

10. Dezember 2015. Kurz vor 13:30 Uhr. In dem Außengefäß herrscht jetzt ein Vakuum. Zuerst werden die Magnete hochgefahren, indem Strom durch die Spulen geschickt wird - mit einer Stärke von 12.336 Ampere. Die Temperatur des Kühlmittels (flüssiges Helium) für die Magneten beträgt 3,85 Kelvin, das sind minus 269,3 Grad Celsius. Danach wird über ein Ventil das Gas in die 30 Kubikmeter große Vakuumkammer geleitet und mit einer Mikrowellenheizung durch elektromagnetische Wellen ionisiert.
Um 13:28 Uhr baut sich Innerhalb von einigen zehn bis hundert Millisekunden für etwa 50 Millisekunden das erste Helium-Plasma auf und erscheint als kurzer Blitz. Es erreicht laut Max-Planck-Institut eine Temperatur von ca. 1 Mio. Grad Celsius. In den nächsten Wochen soll die Dauer der Entladungen verlängert werden und weitere Untersuchungen erfolgen.
Für die ersten Tests wird Helium verwendet. Das lässt sich leichter als Wasserstoff ionisieren und hilft zudem, das Gefäß von innen zu putzen. Wenn Helium zu einem Plasma aufgeheizt wird, können einzelne Teilchen entkommen. Diese gelangen an die Wände und schlagen dort noch vorhandene Verunreinigungen heraus. Nach dem Experiment wird das Gefäß mittels Vakuumpumpen entleert. Der Innenraum des Reaktors wird deshalb von Test zu Test immer sauberer.
Bis 2. Februar 2016 hat Wendelstein 7-X mehr als 300 Entladungen mit dem Edelgas Helium erzeugt. Sie dienten vor allem zum Reinigen des Plasmagefäßes. Je sauberer die Gefäßwand, desto höher stieg die Plasmatemperatur, zuletzt bis auf sechs Millionen Grad. Zudem testete man Plasmaheizung und Datenaufnahme. Auch die ersten Messapparaturen zur Untersuchung des Plasmas wurden in Betrieb genommen, komplexe Instrumente wie Röntgenspektrometer, Interferometer, Laserstreuungs- und Videodiagnostik. Damit ist alles vorbereitet um vom Heliumplasma zum Wasserstoffplasma zu wechseln.

3. Februar 2016. Im Rahmen eines Festakts mit vielen Gästen aus Wissenschaft und Politik wird um 15:20 Uhr auf Knopfdruck von Angela Merkel (CDU/Bundeskanzler) in Greifswald das erste Experiment mit Wasserstoff gestartet. Greifswald gehört auch zu Merkels Wahlkreis bei der Bundestagswahl.
Um 15:35 Uhr wird schließlich durch einen 2-Megawatt-Puls der Mikrowellenheizung eine winzige Menge Wasserstoff-Gas in ein ultradünnes, extrem heißes Wasserstoff-Plasma verwandelt. Bei dem Vorgang lösen sich die Elektronen von den Kernen der Wasserstoffatome und schweben berührungsfrei in der Plasmakammer. Dieses erste Experiment dauert 1/4-Sekunde und erreicht Temperaturen von 80 Mio. °C.
Mitarbeiter und Gäste sehen den Erfolg an einem kurzen, helles Leuchten auf den Monitoren, von Kameras aus dem Inneren der Fusionsanlage übertragen. Merkel meint, eine der drängendsten Fragen der Menschheit sei es, wie dem zunehmenden Energiebedarf Rechnung zu tragen sei, ohne die Klimaziele zu verfehlen. Wasserstoff ist ihrer Meinung nach eine saubere Energiequelle. Sie kündigt weitere Unterstützungen zur Kernfusion an: "Wir glauben, dass dieses Geld gut angelegt ist."
Der Start der Vorbetriebsphase ist auch mit einem Umbau der Mitarbeiterstruktur verbunden. Die Zahl der Ingenieure und Techniker wird nun von 350 auf 210 reduziert, dafür werden mehr Wissenschaftler eingestellt.

Mitte März. Das Plasmagefäß soll nach der letzten Experimentierphase geöffnet werden, um Kohlenstoffkacheln zum Schutz der Gefäßwände zu montieren und einen sogenannten „Divertor“ zum Abführen von Verunreinigungen. Danach sollen höhere Heizleistungen, höhere Temperaturen und längere Entladungen von bis zu 10 Sekunden möglich sein.

2017. Nun soll 0,1 Gramm Deuterium (schwerer Wasserstoff) eingesetzt werden. Für die Erzeugung eines Plasmas aus dem Wasserstoffisotop Deuterium sind Temperaturen von bis zu 100 Millionen Grad erforderlich. Bei diesen Tests, bei denen ein kleiner Teil der Kerne verschmilzt, werden dann geringe Mengen Radioaktivität frei. Anders als bei der Kernspaltung in Atomkraftwerken ist bei der Fusion jedoch keine verheerende Kettenreaktion möglich. Dennoch wird damit auch der Strahlenschutz relevant.

2020. Nach diversen Ausbauten sollen nun 30 Minuten lange Entladungen bei einer Heizleistung von 20 Megawatt erzeugt werden können.

2050. Es wird geschätzt dass nun die erste Demonstrationsanlage gebaut werden könnte.

2070. Erste kommerzielle Anlagen zur Stromerzeugung könnten nun nach Schätzungen gebaut werden. Eine andere Schätzung lautet aber auch dass bis dahin fast die komplette Stromerzeugung durch Erneuerbare Energien sichergestellt werden kann.

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Bilder aus Wikimedia Commons

Montage des letzten Moduls, Lizenz: Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported, Urheber: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Tino Schulz

Quellen

04.02.2016, Sueddeutsche, Kernfusion, Der ewige, heiße Traum von unerschöpflicher Energie

04.02.2016, NDR, "Wendelstein 7-X" erzeugt Wasserstoffplasma

03.02.2016, Welt, Kernfusion, Merkel zündet Wendelstein 7-X

03.02.2016, Spektrum, FUSIONSFORSCHUNG, Wendelstein 7-X zündet erfolgreich Wasserstoffplasma

03.02.2016, Zeit, Wendelstein 7-X, Wasserstoff marsch!

03.02.2016, FAZ, Fusionsanlage Wendelstein 7-X, Sonnenfeuer mit Wasserstoffplasma entzündet

03.02.2016, Spiegel, Kernfusionsforschung in Greifswald, Sonnenmaschine erzeugt Wunderstoff

03.02.2016, Golem, KERNFUSION, Erstes Wasserstoffplasma am Wendelstein 7-X

03.02.2016, Telepolis, Neuer Forschungsreaktor Wendelstein 7-X geht in Betrieb