Energie erzeugen wie die Sonne
9. März 2010
Auf den ersten Blick scheint es, als seien alle Bauteile irgendwann einmal heruntergefallen. Krumm und schief, verbeult und zerdrückt: kaum etwas, was die 140 Bauarbeiter des "Wendelstein 7-X"-Forschungsreaktors in die Hand nehmen, ist gerade oder symmetrisch. Selbst die Dachkonstruktion der großen Aluminium-Werkshallen vor den Toren Greifswalds ist Schwindel erregend wellenförmig.
Da passen die übergroßen Metallringe gut ins Bild, die zwei Meter im Durchmesser, verbeult und halb auf gelben Stahlpodesten liegend auf ihre Weiterverarbeitung warten. Über 70 dieser verdrillten Ringe, die mit allerlei Kabel umwickelt im Hallenlicht glänzen, werden für den Experimentalreaktor gebraucht. Und was das ungeübte Besucherauge besonders verwundert: die Form jedes einzelnen dieser verbeulten Ungetüme wurde Millimeter genau mit Hochleistungsrechnern vorausberechnet.
Magnetischer Käfig schützt die Fusion
Lutz Wegener ist der Montageleiter beim Aufbau von "Wendelstein 7-X". Damit ist er der Herr von rund 800 aufeinander folgenden Arbeitsschritten, die bis 2014 erledigt, den größten jemals in Deutschland gebauten Fusionstestreaktor ergeben. Die verbeulten Metallringe übernehmen darin eine entscheidende Funktion: Die mit Strom betriebenen Magnetspulen erzeugen einen magnetischen Käfig, in dem der eigentliche Fusionsprozess abläuft. "Jede Magnetspule produziert dabei ein Magnetfeld, und alle Magnetspulen zusammen ergeben in der Summe einen dreidimensional magnetischen Schlauch", erklärt Lutz Wegener in der Vormontagehalle. "Das ist der Trick, wie das heiße Fusionsplasma festgehalten wird."
Plasma braucht optimale Bedingungen
Das Plasma, der Brennstoff der Fusion, ist ein extrem dünnes Wasserstoffgasgemisch, dessen Atomkerne bei hohem Druck und großer Hitze verschmelzen und elektrisch geladene Teilchen freisetzen. Auf die gleiche Art und Weise gewinnt auch die Sonne ihre Energie. Professor Robert Wolf, zuständig für die Optimierung des Greifswalder Reaktors, erklärt das Prinzip: "Wenn sie einen Stoff heizen, dann geht er von fest irgendwann in flüssig über, heizen sie weiter wird der flüssige Stoff gasförmig. Und wenn sie noch mal weiterheizen, dann wird ein Plasma daraus."
Bei diesem Prozess verschmelzen die beiden Wasserstoffsorten Deuterium und Tritium. Dabei entstehen das unschädliche Edelgas Helium und Neutronen, also elektrisch geladene Teilchen. Vor allem ihre Energie kann über Dampferzeuger in elektrischen Strom umgewandelt werden. Der Clou: Die Rohstoffe für den Fusionsprozess sind unbegrenzt vorhanden. Deuterium lässt sich leicht aus Wasser gewinnen und Tritium wird aus Lithium gewonnen, das massenhaft im Gestein vorkommt. Bei der Kernfusion von nur einem Gramm beider Stoffe wird eine enorme Energiemenge frei, die dem Brennwert von 11 Tonnen Kohle entspricht – und das ganz ohne schädlichen Kohlendioxid-Ausstoß, ohne langfristig schädliche radioaktive Abfälle, wie bei der verwandten Kernspaltungsreaktion in Atomkraftwerken und ohne das Risiko, dass ein Fusionsreaktor explodieren könnte. Soweit, so verlockend. Doch die Vision, die Sonnenenergie in einen Reaktor zu quetschen, hat viele Tücken. Denn für die Kernschmelze benötigt man die unvorstellbare Temperatur von 100 Millionen Grad Celsius.
Komplexe Technik
140 Arbeiter mit blauen Schutzhelmen schrauben und bohren in Greifswald im Schichtbetrieb, damit das Energieliefernde Plasma im Forschungsreaktor 2014 gezündet werden kann. Alles wird in Modulen zusammengeschraubt. "Ein Modul ist ein Fünftel der gesamten Maschine", erklärt Montageleiter Lutz Wegener. "Das wiegt, wenn es fertig gestellt ist, etwa 100 Tonnen." Wenn alle fünf Module zu einem Reaktor-Ring zusammengesetzt sind, sehen sie aus wie drei übereinander gestülpte verbeulte Fahrradschläuche, sagt Wegener am Eingang der Endmontagehalle. "Der innere Schlauch ist das eigentliche Gefäß, in dem die Experimente stattfinden. Dann kommt das Magnetsystem mit seinen 70 Spulen, dass das starke Magnetfeld erzeugt, um das Plasma zusammenzudrücken und zusammenzuhalten. Und all das ist umgeben von dem äußersten Gefäß, das den Abschluss zur Halle darstellt."
Die größte Sorge der Betreiber ist, dass das Energieerzeugende Plasma, dass sich im Plasmagefäß, dem Inneren der drei Schläuche befindet während des Fusionsprozesses die Außenwand des Reaktors berühren könnte. Dann würden sich dort Partikel herauslösen, den Fusionprozess verunreinigen, abkühlen und schließlich zum Erlöschen bringen. Damit das nicht passiert, müssen die 70 Magnetspulen ganze Arbeit leisten - und einen stabilen magnetischen Käfig garantieren. Doch der ist eine technische Höchstleistung: Mit die stärksten auf der Welt verfügbaren Magneten sind nötig, um den magnetischen Einschluss zu erreichen. Über 700 Tonnen Magnetkraft drückt bei vollem Betrieb auf das Reaktor-Stahlgerippe. Ihre ganze Kraft entwickeln die Magnetspulen aber erst, wenn sie mit flüssigem Helium auf minus 269 Grad Celsius abgekühlt werden. Dann werden sie supraleitend, das heißt, der notwendige Strom kann ohne elektrischen Widerstand fließen. Nur so kann genug Strom in kurzer Zeit bereitgestellt werden, um das Plasma auf 100 Millionen Grad Celsius zu erhitzen.
Konkurrierende Fusionstechnik gibt Wahlmöglichkeiten
Bei "Wendelstein 7-X" treibt die Kraft der Magnetspulen das heiße Plasma an. Fusionsreaktoren dieser Funktionsweise nennt man Stellaratoren. Häufiger erprobt – und daher weltweit mehr im Einsatz – sind dagegen die so genannten Tokamak-Reaktoren. Durch ihre deutlich einfachere Geometrie, können sie schneller gebaut werden. Der Nachteil von Tokamaks liegt allerdings beim Dauerbetrieb, denn mitten im Plasmazentrum muss immer wieder neuer Heizstrom erzeugt werden. Das führt bislang dazu, dass das Plasma nach wenigen Sekunden in sich zusammenfällt. Selbst der Großversuch "ITER", auch eine Tokamak-Anlage im Süden Frankreichs, soll gerade einmal zehn Minuten Plasmaproduktion am Stück schaffen. Kein Wunder, dass Montageleiter Lutz Wegener von der Greifswalder Alternative schwärmt: "Das Ziel des Stellarator-Prinzips ist ganz klar, eine dauerhaft laufende Fusionsmaschine zu bauen. Die stellen sie an, führen den Brennstoff zu und zwischendurch erzeugen sie die eigentlich gewünschte Fusionsenergie."
Ob die Greifswalder Stellarator-Technik diese einfache Formel aber einlösen wird, ist noch nicht klar. Denn obwohl das Stellarator-Prinzip das älteste bekannte Konzept zur Erforschung der Kernfusion ist, wurde es wegen seiner ungeheuren Komplexität bislang kaum praktisch angewandt. Und auch die Inbetriebnahme von "Wendelstein 7-X" im Jahr 2014 wird noch nicht den endgültigen Praxistest liefern, auch wenn das Projekt dann schon über 430 Millionen Euro gekostet haben wird. "Das größte Manko der heutigen Fusionsforschung ist ganz schlicht", gibt auch Professor Robert Wolf unumwunden zu, "dass wir noch immer kein Fusionskraftwerk entwickelt haben."
Auch "Wendelstein 7-X" wird noch keine Energie liefern. Aber es soll zeigen, ob dauerhafte Kernfusion im Prinzip möglich ist. Den endgültigen Beweis, dass Fusion Energie produziert, muss dann der Großversuch "ITER" erbringen – frühestens 2018. Doch ist "ITER" erfolgreich, liegt der Schlüssel für ein dauerhaft arbeitendes Fusionskraftwerk in Greifswald. Das zumindest ist die Hoffnung der Greifswalder Forscher - und das treibt sie an.
Autor: Richard A. Fuchs
Redaktion: Andreas Ziemons