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Energie für die Zukunft - MPI für Plasmaphysik feiert Jubiläumsreigen

30.10.2001


Blick in das Plasmagefäß von ASDEX Upgrade, der größten deutschen Fusionsanlage


Eine ganze Reihe von Jubiläen zugleich begeht das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching bei München am 30. Oktober 2001. In Anwesenheit zahlreicher Ehrengäste feiert das IPP das 40jährige Bestehen des Instituts, die 30jährige Mitgliedschaft in der Max-Planck-Gesellschaft, die weltweit erste Demonstration "echten" Stellaratorbetriebs bei heißen Plasmen vor 20 Jahren sowie den 10jährigen erfolgreichen Betrieb von ASDEX Upgrade, der größten deutschen Fusionsanlage.

Ziel der Fusionsforschung ist es, ein Kraftwerk zu entwickeln, das - ähnlich wie die Sonne - Energie aus der Verschmelzung von Atomkernen gewinnt. Zum Zünden des Fusionsfeuers muss es gelingen, ein dünnes Plasma aus den Wasserstoffsorten Deuterium und Tritium in Magnetfeldern wärmeisolierend einzuschließen und auf über 100 Millionen Grad aufzuheizen. War man zu Beginn der Forschung noch um den Faktor 50.000.000 von den Plasmawerten entfernt, die zum Brennen gebraucht werden, so liegen große Tokamaks heute nur noch weniger als eine Größenordnung unter den Zieldaten - eine Entwicklung, die wesentlich auch vom IPP befördert wurde:


Die Anfänge
1929 vermuteten Atkinson und Houtermans, dass die Verschmelzung leichter Atome die Energiequelle von Sonne und Sternen sei. 1939 konnten Bethe und Weizsäcker den Fusionszyklus der Sonne beschreiben. Arbeiten mit dem Ziel, die Fusion zur Energiegewinnung auf der Erde nutzbar zu machen, begannen Ende der 40er Jahre, vor allem in den USA, Rußland und Großbritannien.

Blickt man von modernen Fusionsexperimenten zurück in diese Vergangenheit, so nehmen sich die Anfänge der Forschung sehr bescheiden aus: Die Plasmen waren mit wenigen Litern klein, die Magnet- und Vakuumtechnik war nicht weit entwickelt, experimentelle Erfahrung und theoretisches Verständnis des Plasmaverhaltens fehlten ebenso wie leistungsfähige Heizapparaturen, Messgeräte zum Beobachten und schnelle Computer zum Berechnen des komplexen Plasmaverhaltens.

Es ist daher wenig verwunderlich, dass die ersten Einschätzungen des Problems der Aufgabe nicht gerecht wurden: Wenige Jahre hielt 1952 das für Fusion zuständige amerikanische Kontrollgremium für ausreichend, um zu entscheiden, ob die Kernfusion realisierbar wäre. Jedoch zeigten sich bald massive Schwierigkeiten und die Hoffnung auf einen schnellen Durchbruch musste aufgegeben werden. Ende der 50er Jahre setzte sich die Erkenntnis durch, dass zur Entwicklung der Fusion ein Langzeitprogramm mit intensiver Grundlagenforschung nötig sei.

Zu dieser Zeit begannen in Deutschland Überlegungen zu einer Ausweitung der Fusionsforschung: Am 28. Juni 1960 wurde das IPP als "Institut für Plasmaphysik GmbH" durch die Max-Planck-Gesellschaft und Werner Heisenberg als Gesellschafter gegründet. Mit dem Assoziationsvertrag mit Euratom vom 1. Januar 1961 wurde das Institut in das Europäische Fusionsprogramm integriert. 1971 in das "Max-Planck-Institut für Plasmaphysik" umgewandelt, ist es mit rund 1000 Mitarbeiter heute eines der größten Fusionszentren Europas.

Zur Zeit der Institutsgründung war völlig offen, auf welchem Weg das Ziel am besten zu erreichen sei. Die theoretischen und experimentellen Arbeiten des IPP waren daher zunächst sehr breit angelegt: Man studierte das Verhalten des Plasmas sowohl in stromstarken Bogenentladungen als auch mit den verschiedensten Methoden magnetischen Plasmaeinschlusses in geradlinigen (Spiegelmaschinen, Pinche) und ringförmigen Anordnungen (Stellaratoren). So ging bereits im Gründungsjahr der erste Stellarator, WENDELSTEIN 1a, in Betrieb. Verglichen mit heutigen Großanlagen waren die Apparaturen von geringem Umfang; manche Plasmen füllten Gefäße, die kaum größer waren als eine Leuchtstoffröhre.

Wissenszuwachs und Konzentration - die 60er und 70erJahre
Trotz beachtlicher Kenntnisfortschritte blieben die experimentellen Resultate während der 60er Jahre weltweit unbefriedigend: Fast alle Anlagen litten unter Instabilitäten und zeigten einen viel zu starken Teilchenverlust - die berüchtigte "Bohm-Diffusion". Eine der wenigen Ausnahmen war der kleine WENDELSTEIN-Stellarator in Garching, das "Munich mystery". WENDELSTEIN 2a konnte 1969 mit relativ kalten Modellplasmen von geringer Dichte nachweisen, dass in Stellaratoren der gute Plasmaeinschluss, den die Theorie erwarten lässt, tatsächlich möglich ist.
1968 meldeten sowjetische Fusionsforscher außerordentlich gute Ergebnisse ihres Tokamaks T3. Die russische Erfindung sollte wesentlich bessere Einschluss- und Stabilitätseigenschaften besitzen als alle bisherigen Konfigurationen. Dies war der Auslöser für ein weltweites Tokamak-Fieber. Schnell entstanden überall neue Tokamaks. Auch das bisherige Stellaratorzentrum der USA, Princeton, stellte sich um und verwandelte seinen glücklosen C-Stellarator in einen Tokamak.

Angesichts der eigenen guten Ergebnisse wurden im IPP die Stellaratorarbeiten weitergeführt. Zusätzlich begann jedoch 1970 die Planung für den ersten Tokamak, Pulsator, der 1973 in Betrieb ging. Insgesamt lies man ab Ende der 60er Jahre kleinere Experimente auslaufen und konzentrierte sich - neben den Pinch-Experimenten, die noch bis Ende der 70er Jahre weitergeführt wurden - auf die beiden Anlagentypen Tokamak und Stellarator. Seither ist das Institut das einzige weltweit, das beide im Vergleich untersucht.
Tokamaks erzeugen den Magnetfeldkäfig teils durch Magnetspulen, die außerhalb des Plasmagefäßes angeordnet sind, teils durch einen im Plasma fließenden elektrischen Strom. Da der Strom auch für die Anfangsheizung des Plasmas sorgt, gilt das Tokamak-Prinzip als besonders effektiv. Stellaratoren dagegen schließen das Plasma durch Magnetfelder ein, die ausschließlich durch Magnetspulen außerhalb des Plasmabereichs erzeugt werden. Stellaratoren arbeiten also ohne Plasmastrom, was erhebliche Vorteile bringt: Sie sind zum Beispiel von vornherein für Dauerbetrieb geeignet. Tokamaks dagegen können ohne Zusatzeinrichtungen nur pulsweise arbeiten, weil der Plasmastrom in Pulsen durch einen Transformator erzeugt wird.

Die 80er Jahre: Großanlagen
Auch weltweit führten die gewonnenen Erfahrungen in den 70er Jahren zu einer Konzentration der Arbeitsgebiete und zu größeren, leistungsstärkeren Experimenten. Der Tokamak setzte sich dabei als führender Experimenttyp durch, um die zentralen physikalischen Fragen - vor allem Einschluss und Aufheizung des Plasmas - zu untersuchen. Hierzu standen inzwischen außer der Heizung durch den Plasmastrom leistungsfähige "externe" Verfahren zur Verfügung - Neutralteilchen- und Hochfrequenzheizung. Allerdings zeigte sich damit bald ein unerwartetes, aber gravierendes Problem: Die wichtigste Eigenschaft des magnetischen Einschlusses, die Wärmeisolation des Plasmas, nahm ab, sobald die Plasmatemperatur durch externe Heizung erhöht wurde. Die Annäherung der Temperatur an die Zündbedingung hatte unweigerlich das Absacken der Wärmeisolation zur Folge. Unter diesen Umständen erschien es unmöglich, ein brennendes Plasma zu erreichen.

Die Lösung brachte 1982 der IPP-Tokamak ASDEX (Axialsymmetrisches Divertor-Experiment), der 1980 in Betrieb gegangen war: Mit der Entdeckung des "H-Regimes" (High-confinement regime) in ASDEX wurde die erzielbare Wärmedämmung verdoppelt. Erreicht wurde dies durch eine besondere Magnetfeldanordnung - den "Divertor". Er lenkt die äußere Randschicht des Plasmas in Nebenkammern ab, wo die Plasmateilchen abgepumpt werden. So sollten Verunreinigungen aus dem Plasma entfernt werden. Zugleich werden jedoch auch die Einschlusseigenschaften beeinflusst: Die vom Divertor erzeugte Randschicht ruft eine Transportbarriere am Plasmarand hervor, so dass sich eine gute Wärmeisolation des Plasmas einstellt.

Jedoch auch die Stellaratoren konnten Erfolge vorweisen: Nach dem schweren Rückschlag in den 60er Jahren brachte das IPP-Experiment WENDELSTEIN 7-A der Linie neuen Auftrieb. 1980 konnte hier weltweit zum ersten Mal das "reine" Stellaratorprinzip - Einschluss ohne Plasmastrom - mit einem heißen Plasma demonstriert werden. "Garching shows stellarators may be good after all", meinte damals die Zeitschrift "Physics Today": "Stellarators appear to be back in business".

Aufbauend auf diesen Erfolgen betreibt das IPP seit 1988 den weiterentwickelten Stellarator WENDELSTEIN 7-AS. Frühere Stellaratoren besaßen ein nahezu kreissymmetrisches Magnetfeld - ähnlich wie Tokamaks, bei denen der Kreisstrom im Plasma eine Kreissymmetrie der ganzen Konfiguration zur Folge hat. Stellaratoren sind ihrer Natur nach aber auf nicht-kreissymmetrische Felder angewiesen. Nutzt man diese Eigenschaft, so öffnet sich ein neuer, weiter Raum möglicher Stellarator-Felder, unter denen - mit erheblichem Theorie- und Rechenaufwand - die besten, d.h. unter dem Einfluss des Plasmas stabilsten und wärmeisolierendsten Felder ausgewählt werden können: "Advanced Stellarators". Diese Arbeiten wurden erst durch die schnellen Rechenmaschinen ermöglicht, die inzwischen zur Verfügung standen.
Zusätzlich zu dem verbesserten Magnetfeld wählte man für WENDELSTEIN 7-AS auch ein technisch optimiertes Spulenkonzept: Man trennte sich von den üblichen - für ein Kraftwerk aber untauglichen - helikalen Wicklungen, und erzeugte das Feld durch modulare, nicht-ebene Einzelspulen. WENDELSTEIN 7-AS hat inzwischen die angewandten Optimierungsprinzipien bestätigt und alle Stellaratorrekorde seiner Größenklasse gebrochen.

Weltweit wurden jedoch hauptsächlich große Tokamaks gebaut, in den USA, Japan und vor allem in Europa, wo 1983 das Gemeinschaftsexperiment JET - der Joint European Torus - in Betrieb ging. Aufgabe dieser weltweit größten Fusionsanlage ist es, Plasmen in der Nähe der Zündung zu untersuchen, bei denen die Selbstheizung des Plasmas durch die bei der Deuterium-Tritium-Fusion entstehenden schnellen Helium-Teilchen deutlich sichtbar wird. Beiträge zu JET kamen von allen Europäischen Fusionslaboratorien, darunter auch vom IPP. Bereits in der ersten Betriebsphase - allein mit Stromheizung noch ohne externe Heizung - konnte JET sehr gute Plasmawerte erzielen.

Angesichts dieser ermutigenden Ergebnisse wurde 1985 in Gesprächen des damaligen sowjetischen Generalsekretärs Gorbatschov mit den Präsidenten Frankreichs und der USA, Mitterand und Reagan, das internationale ITER-Projekt eingeleitet. ITER soll zeigen, dass es möglich ist, durch Kernverschmelzung Energie zu gewinnen und erstmals ein für längere Zeit brennendes und energielieferndes Plasma erzeugen. Zudem sollen wesentliche technische Funktionen eines Kraftwerks getestet werden. Von 1988 bis 1990 arbeitete die europäisch-japanisch-amerikanisch-russische ITER-Planungsgruppe am IPP in Garching am Entwurf des Testreaktors.

Erstmals kraftwerksähnliche Plasmen: die 90er Jahre
Das erste Mal in der Geschichte der Fusionsforschung gelang es 1991 mit dem Europäischen Tokamak JET, die in einem Kraftwerk vorgesehene Reaktion zu verwirklichen und nennenswerte Fusionsleistung zu erzeugen: In einem zunächst noch "verdünnten" Deuterium-Tritium-Plasma wurden über ein Megawatt Fusionsleistung freigesetzt. 1997 gelang JET die Erzeugung von 14 Megawatt Fusionsleistung für 2 Sekunden; 65 Prozent der zum Heizen aufgewandten Leistung wurden dabei per Fusion zurückgewonnen.

Voraussetzung für diese JET-Resultate war die Umrüstung auf Divertorbetrieb nach dem Vorbild von ASDEX. In dem dort gefundenen H-Regime hat auch JET seine Rekordergebnisse erreicht. Auch ein künftiges Kraftwerk wird mit Divertor arbeiten. ASDEX hatte seine Erfolge jedoch mit einer Divertorkonstruktion erreicht, die nicht unmittelbar kraftwerkstauglich war. Der ab 1981 im IPP geplante Nachfolger ASDEX Upgrade sollte diese Lücke schließen und einen Divertor unter Kraftwerksbedingungen untersuchen. Ausschlaggebend hierfür sind der Plasmadruck und die Verhältnisse am Plasmarand. Letztere werden beschrieben durch das Verhältnis von Heizleistung zum Radius des Plasmaringes. Dieser Wert, der die "Kraftwerksähnlichkeit" der Randschicht beschreibt, liegt bei ASDEX Upgrade doppelt so hoch wie bei JET und nur noch einen Faktor 2 unter dem Wert von ITER. Unter den Anlagen des Europäischen Fusionsprogramms ist ASDEX Upgrade daher besonders zur ITER-Vorbereitung geeignet.

1991 begann mit der Erzeugung des ersten Plasmas der wissenschaftliche Experimentierbetrieb an ASDEX Upgrade. Wie vorausschauend die Planungen für die Anlage waren, zeigt sich beim Vergleich mit den 1998 fertiggestellten ITER-Bauplänen, die in wesentlichen Teilen wie eine vergrößerte Kopie der Garchinger Anlage anmuten. Insbesondere flossen die Divertor-Untersuchungen an ASDEX Upgrade ganz wesentlich in die Konzeption des ITER-Divertors ein.

1998 konnte ASDEX Upgrade die gute Wärmeisolation des H-Regimes in einem neuen Plasmazustand nochmals verbessern: Während die hohe Wärmedämmung des H-Regimes hervorgerufen wird durch eine Transportbarriere am Plasmarand, war es nun gelungen, dies mit verbessertem Einschluss im Plasmazentrum zu kombinieren. Die Wärmeisolation stieg damit nochmals um 30 Prozent. Erstmals konnte dieser Zustand nicht nur vorübergehend erzeugt werden, sondern über die gesamte Dauer der Entladungen stabil.

Auf der Stellaratorseite wurden parallel zum Bau von WENDELSTEIN 7-AS die numerischen und theoretischen Stellaratorstudien intensiv weitergeführt. In WENDELSTEIN 7-AS wurden die Prinzipien der Optimierung nämlich nur begrenzt angewandt: Der in 10 Jahren Entwicklungszeit von der Abteilung Stellarator-Theorie erarbeitete, vollständig optimierte Nachfolger WENDELSTEIN 7-X soll nun die Kraftwerkstauglichkeit der neuen Stellaratoren zeigen. Die Anlage entsteht gegenwärtig im IPP-Teilinstitut in Greifswald. Im Rahmen der Neugliederung der deutschen Forschung nach der Wende soll das 1994 gegründete IPP-Teilinstitut zum "Aufbau Ost" im Forschungssektor beitragen. WENDELSTEIN 7-X soll die Stellaratoren als leistungsfähige Alternative auf das Niveau der bislang bevorzugten Tokamaks heben. Gelingt dies, dann könnte der Demonstrationsreaktor, der auf den Tokamak ITER folgen soll, auch ein Stellarator sein.

Die internationalen ITER-Planungen: Der erste Testreaktor
Nachdem der 1990 fertiggestellte ITER-Entwurf, der die Eckdaten des Testreaktors festgelegte, von den Regierungen aller beteiligten Partner akzeptiert worden war, begann die Detailplanung der Anlage. Im Juli 1998 lagen mit dem "ITER Final Design Report" schließlich alle wissenschaftlichen und technologischen Voraussetzungen vor, um mit dem Bau der Anlage beginnen zu können: In dem etwa 30 Meter hohen Divertor-Tokamak sollte in einem Plasmaring von 8 Metern Radius und einem Volumen von 2000 Kubikmetern eine Fusionsleistung von 1500 Megawatt über Pulsdauern von mindestens 1000 Sekunden erzeugt werden. Die Baukosten wurden - im genehmigten Finanzrahmen - auf 6,5 Mia ECU berechnet, verteilt auf 10 Jahre Bauzeit.

Obwohl damit eine ausreichende Grundlage für den Bau der Anlage vorhanden war, wurde die Planungsphase dennoch um weitere drei Jahre verlängert. Angesichts der Finanzschwierigkeiten in den Partnerländern - Europa, Japan, der russischen Föderation und (bis 1998) den USA - wurde der ITER-Entwurf kostensparend überarbeitet. Eine Reduktion des Plasmavolumens von 2000 auf 1200 Kubikmeter - und damit eine Reduktion der Fusionsleistung auf 500 Megawatt - konnte die ursprünglich veranschlagten Kosten ungefähr halbieren. Das erste Standortangebot für ITER kam 2001 aus Kanada, weitere Bewerbungen werden aus Frankreich und Japan erwartet.

Ausblick
Nachdem die großen Fortschritte die physikalischen Probleme eines Fusionsreaktors als lösbar erscheinen lassen, wächst die Bedeutung technischer Fragestellungen, insbesondere auf dem Gebiet der Materialentwicklung. Ebenso wichtig sind Sicherheits- und Umweltfragen. In Europa werden technologische Fragen in einem eigenen Technologieprogramm bearbeitet sowie in der weltweiten ITER-Zusammenarbeit.

Parallel zu ITER wird zudem an der Verbesserung des Tokamakkonzepts - vor allem in Hinblick auf den Dauerbetrieb - gearbeitet. Dazu muss der Plasmastrom von außen getrieben werden und nicht mehr über den pulsweise arbeitenden Transformator: So wurden in den Entladungen in ASDEX Upgrade mit verbessertem Einschluss bereits 50 Prozent des Stroms durch die Neutralteilchenheizung erzeugt sowie durch den druckgetriebenen sog. Bootstrap-Strom. Wie sich dies mit anderen Erfordernissen - Stabilität, Verunreinigungskontrolle und Energieabfuhr - vereinen lässt, wird einer der künftigen Arbeitsschwerpunkte von ASDEX Upgrade sein.

Diese Arbeiten sowie die Erfahrungen mit einem brennenden Plasma, die ITER liefern soll, werden dann zusammen mit den Ergebnissen der Stellaratorforschung in die Planung des Demonstrationskraftwerks DEMO einfließen. Angesichts der für ITER nötigen Planungs-, Bau- und Betriebszeit von 25 Jahren und nochmals 20 Jahren für DEMO - könnte die Fusionsenergie also etwa in der Mitte des Jahrhunderts wirtschaftlich nutzbar sein.

Isabella Milch | idw
Weitere Informationen:
http://www.ipp.mpg.de/

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