Fusion mittels magnetischen Einschlusses

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Innenansicht eines mit Graphitkacheln ausgekleideten Tokamaks

Fusion mittels magnetischen Einschlusses ist der heute meistverfolgte Entwicklungsweg zur angestrebten technischen Gewinnung von elektrischer Energie aus der Kernfusion. Konzepte, kommerziell verwertbare elektrische Leistung mit einem auf magnetischem Einschluss beruhenden Reaktor zu erzeugen, bezeichnet man auch als Magnetische Fusionsenergie, kurz MFE. Allgemein wird der Weg zur Fusionsenergiegewinnung durch magnetischen Einschluss als weiter fortgeschritten und vielversprechender erachtet als die ebenfalls untersuchte Trägheitsfusion.

Bei den heute konkret verfolgten Projekten der Fusion von leichteren Atomkernen zu schwereren handelt es sich um die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium, die sich dabei in Helium-4 verwandeln (siehe auch Kernfusion, Kernfusionsreaktor). Eine einzelne Fusionsreaktion erfolgt, wenn sich ein Deuterium- und ein Tritiumkern sehr nahe kommen. Das ist wegen der gegenseitigen elektrostatischen Abstoßung der positiv geladenen Kerne nur mit sehr hoher kinetischer Energie der Reaktionspartner im Bereich von einigen zehn Kilo-Elektronenvolt erreichbar, was Temperaturen von etwa 100 Millionen Grad entspricht. Bei diesen Temperaturen sind Ionen und Elektronen getrennt und bilden ein Plasma.

Plasma lässt sich nicht in materielle Gefäße einschließen, da es bei Berührung mit den kalten Wänden sofort so stark abkühlen würde, dass der Plasmazustand beendet wird. Eine Möglichkeit, ein solch heißes Plasma einzuschließen, sind geeignet geformte Magnetfelder, weil diese auf die geladenen Plasmateilchen Kräfte ausüben und sie so von den Gefäßwänden fernhalten können. Betrachtet man das Plasma in seinem magnetischen Gefäß als ein Fluid, dann wird sein nach außen gerichteter Druck durch den nach innen gerichteten Magnetfelddruck kompensiert. Der dabei erreichbare Plasmadruck liegt typischerweise in der Größenordnung von 1 bar bei Einschlusszeiten von Sekunden bis Minuten.

Aus der Vielfalt möglicher Magnetfeldanordnungen haben sich zwei Konzepte mit toroidaler Geometrie als am meisten erfolgversprechend herauskristallisiert – der Tokamak und der Stellarator. Die größten dieser Experimente sind

  • der Tokamak JET (in Betrieb seit 1983), mit dem kurzzeitig bereits Fusionsleistung im Megawatt-Maßstab erzeugt wurde,
  • der Tokamak ITER, mit dem ab 2026 erstmals Fusionsleistung "netto" (also den Heizleistungsbedarf übersteigend) erzeugt werden soll (Bau begonnen 2006) und
  • der Stellarator Wendelstein 7-X, zur Zeit (2013) im Bau,
  • das Heliotron LHD (seit 1998 in Betrieb).

Alle bisherigen Forschungsbemühungen sind darauf gerichtet, im genannten Temperaturbereich längere Zeit stabile Plasmen zu erzeugen. Dafür wurde – außer in einigen wenigen Versuchen in den Anlagen TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor, USA) und JET – noch kein Deuterium-Tritium-Gemisch, sondern gewöhnlicher Wasserstoff oder in einigen Fällen reines Deuterium verwendet.

Plasmaeinschluss durch Magnetfelder[Bearbeiten]

Geladene Teilchen (Elektron und Proton) führen im Magnetfeld eine Schraubenbewegung um jeweils eine Feldlinie aus.

Fusion mit magnetischem Einschluss beruht auf der Lorentzkraft. Diese hält die geladenen Plasmateilchen, Elektronen und Ionen, im Magnetfeld auf schraubenförmigen Bahnen. Eine solche Teilchenbahn kann man sich als Kombination einer Bewegung entlang einer Magnetfeldlinie und – senkrecht dazu – einer kreisförmigen Bewegung um die Feldlinie herum (Gyration) vorstellen.

Der einfachste magnetischer Einschluss lässt sich mit einer langen Zylinderspule erreichen. Das Magnetfeld einer solchen Spule ist parallel zur Spulenachse gerichtet; es verhindert den Verlust der Teilchen in radialer Richtung, aber nicht entlang der Achse, also an den Spulenenden. Um diese Endverluste zu vermeiden, gibt es im Wesentlichen zwei Methoden. Bei der einen versucht man magnetische Spiegel an den Spulenenden aufzubauen, bei der anderen biegt man gewissermaßen die Zylinderspule zu einem geschlossenen Ring (Torus) zusammen.

Magnetische Spiegel[Bearbeiten]

Ein aktives Forschungsgebiet in den Anfangsjahren der Fusionsforschung waren magnetische „Spiegelmaschinen“, da diese gegenüber torusförmigen Anordnungen große Vorteile in praktisch-technischer Hinsicht, z. B. hinsichtlich Wartungsarbeiten und Auswechseln von Teilen, haben. Die meisten der konstruierten Spiegelmaschinen versuchten das Plasma an den Enden der Spule durch nichtplanare magnetische Felder einzuschließen. Zwar genügt der einfache Spiegel mit seinem flaschenhalsförmigen Verlauf der Feldlinien nicht zum Festhalten des heißen Fusionsplasmas, aber mit zusätzlichen Magneten von mehr oder weniger komplizierter Form lässt sich erreichen, dass die Feldlinien größtenteils im Inneren des Einschlussvolumens in sich zurückgebogen werden, so dass auch schnelle Teilchen eingeschlossen bleiben. Aus Symmetriegründen gibt es jedoch in jeder Spiegelkonfiguration eine für die Teilchen durchlässige Stelle. Anschaulich bedeutet dies, es gibt eine Feldlinie, die nicht im Inneren des Gefäßes geschlossen ist, sondern aus dem Einschlussgebiet hinaus führt. Auch fortschrittliche Konstruktionen (wie z. B. beim MFTF-Experiment) können dies niemals völlig unterbinden.

Toroidale Maschinen[Bearbeiten]

In einem rein toroidalen Magnetfeld driften Elektronen und Ionen wegen der notwendigerweise inhomogenen Magnetfeldstärke aus dem Einschlussgebiet. In einem helikal verdrillten Magnetfeld heben sich diese Driften auf.

Ein ausschließlich toroidales Magnetfeld kann wegen der sogenannten Torusdrift geladene Teilchen nicht einschließen (s. Abbildung): Bei einer toroidalen Anordnung von Spulen ist notwendigerweise auf der Innenseite, wo die Spulen dichter stehen, die Magnetfeldstärke höher als auf der Außenseite. Die gyrierenden Elektronen und Ionen führen daher keine exakt kreisförmigen Schraubenbewegungen aus, sondern die Krümmung ihrer Schraubenbahnen ist zur Torus-Innenseite jeweils etwas enger als außen. Die Teilchenbahnen von Elektronen und Ionen driften daher wie in der Abbildung gezeigt nach oben bzw. unten. Wegen der daraus resultierenden Ladungstrennung entsteht ein elektrisches Vertikalfeld. Dieses elektrische Feld führt zusammen mit dem Magnetfeld zu einer weiteren Drift, welche die Teilchen nach außen bringt und somit den Einschluss zerstört.

Ausweg ist, neben der toroidalen eine poloidale Komponente des Magnetfeldes zu verwenden, so dass sich die Magnetfeldlinien schraubenförmig (helikal) um den Torus herumwinden. Die ihrer Feldlinie folgenden Plasmateilchen erfahren damit abwechselnd eine Drift zum Plasmazentrum und von diesem weg, so dass insgesamt keine Ladungstrennung stattfindet.

Wie die poloidale Magnetfeldkomponente erzeugt wird, unterscheidet Tokamak und Stellarator: Beim Tokamak bewirkt dies ein induzierter, im Plasma fließender Strom (mit Nachteilen für die Plasmastabilität), beim Stellarator besonders aufwändig geformte Magnetspulen.

Ein früher Versuch, ein System für magnetischen Einschluss zu bauen, war der 1951 von Lyman Spitzer entwickelte Stellarator (von lat. stella „Stern“, als Anspielung auf die Energieerzeugung durch Kernfusion in Gestirnen). Dieser bestand im Wesentlichen aus einem in zwei Halbringe geteilten Torus, dessen Hälften über zwei gerade, sich kreuzende Rohre zu einer Acht verbunden waren. Dies hat zum Ergebnis, dass Teilchen, die während des Umlaufs durch die halbe Acht von innen nach außen gewandert sind, sich beim Eintritt in die andere Hälfte der Acht wieder innen befinden. Bei neueren Stellarator-Konzepten wird das Ausmitteln dieser Drift dadurch erreicht, dass das Magnetfeld das Plasma ständig auch um die dem Mittekreis folgende eigene Achse drehen.

1968 wurden erstmals die russischen Forschungsergebnisse über den Tokamak veröffentlicht, mit Ergebnissen, die alle bis dahin konkurrierenden Fusionsreaktorkonzepte, ob magnetisch oder nicht, bei weitem in den Schatten stellten. Seit dieser Zeit ist das Tokamak-Prinzip das meistverfolgte Konzept für magnetischen Einschluss. In einem Tokamak wird ein poloidales Feld durch einen im Plasma fließenden Strom erzeugt. Dieses poloidale Feld führt, zusammen mit dem von Spulen erzeugten toroidalen Feld, zur Verdrillung der Feldlinien. Im Gegensatz zum Stellarator, wo das Magnetfeld eine dreidimensionale Struktur besitzt, ist es im Tokamak zweidimensional, d. h. es ist rotationssymmetrisch um die Torusachse.

Magnetische Flussfläche eines Stellarators, wobei eine Konfiguration von Wendelstein 7-X als Beispiel dient. Eingearbeitet sind poloidale Querschnitte (Poincaré-Plots), die von den Magnetfeldlinien gebildete ineinandergeschachtelte Flussflächen zeigen, Details im Text.

Im toroidalen Einschluss bilden die helikal verdrillten magnetischen Feldlinien zwiebelartig ineinandergeschachtelte magnetische Flussflächen um die zentrale magnetische Achse. Da sich die Feldlinien nicht schneiden können, lässt sich jeder Flussfläche eine feste Verdrillung (Rotationstransformation) zuordnen. Ohne weitere Störungen würde sich ein geladenes Teilchen immer auf derselben Flussfläche bewegen, auf der es toroidal und poloidal umläuft. Damit bildet sich auf einer Flussfläche durch Stöße ein Gleichgewicht zwischen den Plasmateilchen aus, d. h., es können ihnen auf der Flussfläche thermodynamische Größen zugeordnet werden, z. B. eine gemeinsame Temperatur und Dichte und damit ein gemeinsamer Druck. Die Abbildung zeigt im linken Teil eine solche Flussfläche mit einigen markierten Feldlinien. Im gezeigten Fall eines Stellarators hat diese Flussfläche eine dreidimensional geformte Struktur; im Fall eines Tokamaks wäre sie kontinuierlich rotationssymmetrisch um die Achse des Torus. Rechts und unten sind Querschnitte (Poincaré-Plots) gezeigt, die die Durchstoßpunkte von Feldlinien durch einen poloidalen Querschnitt darstellen. Man erkennt die ineinandergeschachtelte Struktur der geschlossenen Flussflächen im Einschlussgebiet. Rechts im Bild ist der berechnete Poincaré-Plot für eine poloidale Ebene mit bananenförmigem Querschnitt in einer magnetischen Konfiguration des Wendelstein 7-X dargestellt. In der Graphik darunter sieht man gemessene Flussflächen des Wendelstein 7-AS: Die Durchstoßpunkte der Feldlinien durch eine Ebene mit – an dieser Stelle – eher dreiecksförmigem Querschnitt werden durch ein fluoreszierendes Medium in der Ebene sichtbar gemacht. In Falschfarben grün und braun dargestellte Punkte wurden vor und nach im Verlauf von 14 Jahren durchgeführten über 50.000 Plasmaexperimenten gemessen und zeigen, dass die modulare Spulenanordnung durch diese Belastungen nicht verändert wurde [1].

Im Allgemeinen kommt ein Plasmateilchen jedem Punkt der Flussfläche bei seiner Bewegung beliebig nahe. Ausnahmen sind Flussflächen, auf denen die Verdrillung (Rotationstransformation) dazu führt, dass sich Feldlinien nach einigen wenigen Umläufen in sich selbst schließen. Solche „rationale Flussflächen“ sind empfindlich gegen geringfügige Magnetfeldstörungen, die dort zu inselartigen Magnetfeldstrukturen führen können, wie sie in der Abbildung rechts am Rand des Einschlussgebiets markiert sind. Solche festen oder auch dynamisch sich ausbildenden Inseln stellen Schwachpunkte bzw. Löcher in diesem magnetischen Käfig dar und können zu einem Verlust des Plasmas führen.

Einige neuere Konfigurationen toroidaler Maschinen sind der „Reversed Field Pinch“ und das „schwebende Dipol-Experiment“.

Kompakte Tori[Bearbeiten]

Kompakte Tori, z. B. der Spheromak und der FRC (Field-Reversed Configuration), versuchen die guten Einschlusseigenschaften geschlossener magnetischer Flächen mit der Einfachheit von Maschinen ohne zentrale Spule zu kombinieren.

Lawson-Kriterium nicht erreicht[Bearbeiten]

Die plasmaphysikalische Entwicklungsarbeit verfolgt grundsätzlich das Ziel, das bisher noch nicht erreichte Lawson-Kriterium zu erfüllen (Stacey[2] nennt dies bildhaft den „heiligen Gral“ der Plasmaforschung); ein Plasma in diesem Zustand „brennt“ ohne äußere Energiezufuhr weiter.

Bei den Versuchen, Teilchendichte, Temperatur und Einschlusszeit des Plasmas entsprechend hoch zu treiben, geraten alle genannten Konzepte in Schwierigkeiten. Manchmal wird der magnetische Einschluss mit dem Versuch verglichen, einen Luftballon gleichmäßig zusammen zu quetschen – immer wieder wird die Luft den Ballon an neuen Stellen ausstülpen. Turbulenz im Plasma spielt eine wichtige Rolle, da diese das Plasma aus dem Einschlussbereich ausbrechen lässt, was zu einem Kontakt mit der Gefäßwand führen kann. Wenn dies geschieht, werden schwere Teilchen (z. B. Kohlenstoff oder Eisen) aus der Wand des Gefäßes (Stahl oder andere Metalle) heraus gelöst („Sputtering“ oder Zerstäubung), mischen sich mit dem Plasma und setzen seine Temperatur herab.

Seit den 1990er-Jahren wurden beachtliche Fortschritte erzielt, sowohl bei der Annäherung der drei beteiligten Werte für Teilchendichte, Temperatur und Einschlusszeit an die für „brennende“ Plasmen nötigen Größen als auch beim wissenschaftlichen Verständnis der beteiligten Prozesse. In JET-Experimenten konnten bis zu 16 Megawatt Fusionsleistung produziert und das Verhalten der Heliumkerne (Alpha-Teilchen) in schwach brennenden Plasmen untersucht werden. Diese Fortschritte haben dazu geführt, dass z. B. die Turbulenz in Plasmen und der dadurch entstehende Energieverlust jetzt beherrscht werden kann.

Elektromagnetische Wellen können in das Plasma injiziert und dazu verwendet werden, die Trajektorien von Plasmateilchen zu beeinflussen und Ströme zu treiben, die das Plasma einschließende Magnetfelder erzeugen. Diese und andere Steuerungsmöglichkeiten haben ihren Ursprung in den Fortschritten der Plasmaforschung auf Gebieten wie der Plasmaturbulenz, der makroskopischen Plasmastabilität und der Ausbreitung von Wellen im Plasma. Ein großer Teil dieser Fortschritte wurden durch die Untersuchungen an Tokamaks gewonnen.

Wirtschaftliche Fusion auch ohne Erreichen des Lawson-Kriteriums[Bearbeiten]

So erstrebenswert das Erfüllen des Lawsonkriteriums auch sein mag, bei magnetischem Einschluss ist dies für eine wirtschaftliche Energiegewinnung nicht unbedingt erforderlich: Auch im Stadium davor, was zu erreichen gemäß vorigem Absatz ebenfalls schon schwierig genug ist, entsteht bei zusätzlicher Plasmaheizung bereits ausreichend Fusionsenergie. Aber auch dies ist bisher nicht im erwünschten Maße gelungen (Stand: April 2013) und soll von ITER realisiert werden. Diese Fusionsleistung kann man mit der Zusatzheizleistung im Sinne eines Verstärkungsfaktors Q_p in Beziehung setzen:

Q_p = \frac {\mbox{Fusionsleistung}} {\mbox{äußere Heizleistung}}.

Das Lawson-Kriterium entspricht Q_p = \infty. Q_p = 1 wird als scientific break-even bezeichnet. In der Anlage JET wurde 1997 Q_p = 0,65 erreicht. Das für eine wirtschaftliche Energiegewinnung nötige Q_p liegt nach[2] wahrscheinlich jenseits von 10. Auf diesen Wert ist ITER ausgelegt. Viel größere Werte sind mit der Technologie von ITER nicht kraftwerkstauglich realisierbar, denn die Heizsysteme sind dort auch für die Kontrolle des inhärent instabilen Plasmas notwendig.

Die Magnetfelder für den Plasmaeinschluss erfordern starke Ströme (Größenordnung 20 kA) in großen Spulen. Die Stromstärke bestimmt Plasmadichte und -druck. Für eine in einem Kraftwerk verwendbare Leistungsflussdichte muss der Plasmadruck etwa 10 bar betragen, mit entsprechenden Kraftrückwirkungen auf die Spulen.[3] Das ist mit heutiger Technologie erreichbar.[3]

Literatur[Bearbeiten]

  • Friedrich Wagner: Auf den Wegen zum Fusionskraftwerk – Organisierter und selbstorganisierender magnetischer Einschluss. Physik Journal 8 (2009), Nr. 8/9, S. 35 - 41
  • Weston M. Stacey: Fusion. An Introduction to the Physics and Technology of Magnetic Confinement Fusion. Wiley-VCH, 2010, ISBN 978-3-527-40967-9, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche.
  • C. M. Braams and P. E. Stott: Nuclear Fusion. Half a Century of Magnetic Confinement Fusion Research. IOP Publishing, Bristol, 2002, ISBN 0 7503 0705 6

Weblinks[Bearbeiten]

Quellen[Bearbeiten]

  1. Otte M and Jaenicke R 2007 Stellarator News (Fusion Energy Division, Oak Ridge National Laboratory) 1002–5 www.ornl.sci/fed/stelnews
  2. a b Stacey, Fusion (s. Literaturliste), Seite 9
  3. a b Dennis Whyte et al. (MIT): Smaller & Sooner: How a new generation of superconductors can accelerate fusion’s development. Fusion Power Associates 2012, 31st Annual Meeting and Symposium, Washington, DC, Dezember 2012.