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Ausblick

Plasmaeinschluss durch Magnetfelder

Bei der überwiegenden Zahl der heute unternommenen Experimente versucht man den zu fusionierenden leichten Kernen eine sehr hohe thermische Energie zu geben, so dass sie die abstoßenden elektrostatischen Kräfte überwinden können. Für einen D-D-Reaktor wäre hierfür eine Temperatur von etwa 1 Milliarde Kelvin notwendig, während für einen D-T-Reaktor 300 Millionen Kelvin ausreichen würden.

Ein solch heißes Plasma kann nicht einfach in einem Behälter aufbewahrt werden, da es sich an den Wänden sofort abkühlen und auch die Wände u.U. zerstören würde. Die von den Wänden abgelösten Atomkerne hätten eine viel zu hohe Ordnungszahl und wären damit für Fusionsreaktionen unbrauchbar.

Um das Plasma von den Wänden des hochevakuierten Behälters fern zu halten, verwendet man sehr starke Magnetfelder. Aufgrund der Lorentzkraft bewegen sich geladene Teilchen auf Schraubenlinien um die Feldlinien. Dabei ist der Radius der Schraubenlinie umso kleiner, je stärker das Magnetfeld ist.

In den ersten Experimenten zur Plasmaphysik verwandte man zylindrische Gefäße, an deren Ende das Magnetfeld so konfiguriert war, dass die Teilchen an der Stirnfläche nicht entweichen sollten. Mit diesen Anordnungen (ca. 1965) gelangen auf der Erde erste Fusionsreaktionen, jedoch konnte man die Plasmen nur über Zeitdauern von Millionstel Sekunden stabil halten.

Deutliche Verbesserungen konnten erzielt werden, als man ringförmige (sogenannte toroidale) Magnetfelder einführte. Allerdings ist ein rein toroidales Magnetfeld ist nicht homogen, sondern nimmt in seiner Stärke nach außen hin ab. Als Folge davon würden die Teilchen des Plasmas zur Gefäßwand abdriften. Um dies zu verhindern überlagert man dem toriodalen Magnetfeld ein poloidales Magnetfeld, was insgesamt dann zu einer "Verdrillung" der Feldlinien führt (schraubenartiger Verlauf).

Man unterscheidet beim magnetischen Einschluss zwei große Entwicklungslinien:

Tokamak-Prinzip

TOKAMAK kommt aus dem Russischen (toroidalnaja kamera magnitnoj katuschki), etwa soviel bedeutet wie: Toroidale Kammer im Magnetfeld der Spule.

Die grün gezeichneten Spulen erzeugen ein ringförmiges Magnetfeld (Btor).

Mit einem Transformator, dessen Primärspule braun angedeutet ist und dessen Sekundärspule das leitfähige Plasma darstellt (Nsek = 1) wird im Plasma ein Strom I induziert, der einerseits das Plasma aufheizt (ohmsche Heizung) und andererseits ein poloidales Magnetfeld (Bpol) bewirkt.

Die Überlagerung von Btor und Bpol führt zum resultierenden schraubenförmigen Magnetfeld, welches zu einer größeren Stabilität des Plasmas führt.

Transformatoren arbeiten nur bei sich ändernden Magnetfeldern. Daher ist beim Tokamak-Prinzip nur ein Impulsbetrieb möglich.

Die Vertikalspulen erzeugen ein zusätzliches Magnetfeld, mit dem der Plasmaquerschnitt verformt und insgesamt eine noch höhere Stabilität des Plasmas erreicht werden kann.

Nach dem Tokamak-Prinzip arbeiten mehrere großtechnische Anlagen:

Die ASDEX-Maschine am Institut für Plasma-Physik in Garching

Beachte die Personengröße!

Diese Anlage ging 1990 in Betrieb und ist die gegenwärtig größte deutsche Fusionsanlage. Das Experiment soll Kernfragen der Fusionsforschung unter kraftwerksähnlichen Bedingungen untersuchen.

Wartungsarbeiten im Inneren des Plasmagefäßes
Plasmaleuchten während der Entladung

Das JET (joint european torus) - Projekt in Cullham (England)

Beachte die Personengröße!

Die Kosten für Großforschungsanlagen mit denen man großvolumige Plasmen erzeugen kann, sind von einer einzelnen Nation kaum mehr zu schultern. Auf dem Weg zu einem funktionierenden Fusionsreaktor ist das europäische Projekt JET, ein ab 1978 in Cullham (England) erbautes Tokamak-Experiment ein wichtiger Zwischenschritt. Man schaffte mit Jet für 2 Sekunden (dies sind "Ewigkeiten" im Vergleich zu den Mikrosekunden der ersten Plasmen) ein energielieferndes Plasma herzustellen. 1997 wurde mittels eines neuen Mischungsverhältnis von Deuterium und Tritium im Verhältnis 50:50 eine Fusionsleistung von 13 Megawatt erreicht.

Technische Daten: Großer Plasmaradius: 2,96 Meter; Kleiner Plasmaradius: 2,1 Meter vertikal bzw. 1,25 Meter horizontal; Pulslänge: 20 Sekunden; Plasmaheizung: 25 Megawatt; Magnetfeld: 3,45 Tesla; Gewicht (Eisenkern): 2800 Tonnen

Das Iter (lat.: der Weg oder "International Thermonuclear Experimentel Reactor") - Projekt in Cadarache (Frankreich)

Iter befindet sich noch in der Planungsphase und wird wahrscheinlich in der Zeit zwischen 2006 und 2015 in Frankreich gebaut. Man rechnet mit Kosten von ca. 10 Milliarden Euro für den Testreaktor, der folgende technische Daten haben soll: Gesamtradius: 10,7 Meter; Höhe (über alles): 30 Meter; Plasmaradius: 6,2 Meter; Plasmavolumen: 837 Kubikmeter; Magnetfeld: 5,3 Tesla; Maximaler Plasmastrom: 15 Megaampere; Heizleistung und Stromtrieb: 73 Megawatt; Fusionsleistung: 500 Megawatt; Energieverstärkung: 10x; Mittlere Temperatur: 100 Millionen Grad Celsius; Brenndauer: > 400 Sekunden

Stellerator-Prinzip

Auch beim Stellerator arbeitet man mit einem ringförmigen Magnetfeld. Allerdings verzichtet man für die Erzeugung schraubenförmiger Feldlinien auf den durch einen Transformator erzeugten Strom. Das "Verdrillen" der Feldlinien wurde durch eine besondere Spulengeometrie erreicht. Der Vorteil des Stellerators wäre, dass man nicht auf einen Impulsbetrieb wie beim Tokamak angewiesen ist, sondern einen kontinuierlichen Betrieb durchführen kann.

Im Institut für Plasmaphysik in Greifswald entsteht zur Zeit die weltweit größte Stellerator-Anordnung "Wendelstein 7-X". Kernstück der Anlage ist ein Spulensystem aus 70 supraleitenden Magnetspulen mit einer sehr komplizierten Geometrie. Dadurch soll ein möglichst lang andauernder Plasmaeinschluss erreicht werden. Mit dem Experiment "Wendelstein 7-X" soll die Kraftwerkstauglichkeit des Stelleratorprinzips getestet werden. Die Qualität von Plasmagleichgewicht und -einschluss soll der eines Tokamak ebenbürtig sein. Bestätigt sich diese Hoffnung, so könnte das auf ITER folgende Demonstrationskraftwerk ein Stellerator sein.

Beim Stellerator gibt es nicht wie beim Tokamak den durch einen Transformator induzierten Heizstrom. Man ist also auf andere Heizsysteme für das Plasma angewiesen.

Informationen über die Grundlagen der Energiegewinnung durch Fusion erhältst du auf der folgenden Seite.

Wie die Energiegewinnung durch Fusion auf der Sonne abläuft, wird auf der folgenden Seite erklärt.