Weltrekord bei Plasmaheizung für Kernfusion

Damit Kernfusion funktioniert, muss Plasma auf über 100 Millionen Grad Celsius erhitzt werden. Dafür kommen verschiedene Mittel zum Einsatz. Eines davon ist das Gyrotron.

Das Gyrotron erzeugt starke Mikrowellenstrahlen, die das Plasma aufheizen. Außerdem können sie Instabilitäten im Plasma unterdrücken, wenn die Frequenz der Strahlen nichtig angepasst wird.

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Am deutschen Versuchsreaktor Wendelstein 7-X wurde jetzt ein Weltrekord für Gyrotrons aufgestellt, berichtet dessen Hersteller Thales. Das TH1507U erreichte im Dauerbetrieb von 360 Sekunden eine Ausgangsleistung von 1,3 Megawatt bei der üblichen Frequenz von 140 GHz. Das ist eine beachtliche Steigerung von 30 Prozent gegenüber bisherigen Gyrotrons: Diese erreichen eine Leistung von meist unter bzw. ein Megawatt.

Fusionsreaktoren brauchen viele Gyrotrons

Je mehr Leistung, desto höher ist die Chance, die geforderte Temperatur von über 100 Millionen Grad Celsius zu erreichen. Außerdem können zukünftige Fusionskraftwerke effizienter sein, wenn die Gyrotrons mehr Leistung haben.

Denn aktuell benötigen Fusionsreaktoren mehrere Gyrotrons. Bei Wendelstein 7-X sind es etwa 10 Stück zu je 1 MW Leistung. Beim im Bau befindlichen Versuchsreaktor ITER werden es 24 Stück zu je 1 MW Leistung sein. Hätte da jeder schon 1,3 MW, würden 19 Gyrotrons reichen, was Kosten und Platz in der Anlage spart.

Zukünftig könnten alle 10 Gyrotrons von Wendelstein 7-X durch die stärkeren TH1507U ersetzt werden. Die haben sogar eine Maximalleistung von 1,5 MW. Die wird derzeit aber nur bei Mikropulsen mit einer Länge von einer Millisekunde erreicht. Bei zukünftigen Experimenten soll die Pulsdauer für den Dauerbetrieb bei 1,3 MW noch erhöht werden – aktuell ist die installierte Kühlung nicht ausreichend.

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Stellarator gegen Tokamak

Der Hauptzweck von Wendelstein 7-X ist festzustellen, ob ein Stellarator für den Einsatz in einem Fusionskraftwerk geeignet ist. Die Stellarator-Bauweise ist eine Alternative zum Tokamak-Reaktor, wie er etwa bei ITER genutzt werden wird. Ein Tokamak hat die klassische Donut-Form. Auch ein Stellarator ist torusförmig, ist aber nicht vollkommen symmetrisch, sondern in sich verdreht und verformt.

Dadurch kann beim Stellarator das Magnetfeld, das das Plasma in Zaum hält, vollständig durch außenliegende Spulen erzeugt werden. Ein rein toroidales Magnetfeld wäre dazu nicht in der Lage. Ein Tokamak löst das Problem, indem auch im Inneren des Plamas Strom fließt, der aufrecht erhalten werden muss.

Weil das beim Stellarator nicht nötig ist, muss man nicht mit Instabilitäten des Plasmastroms herumschlagen, die im schlimmsten Fall den Plasmaeinschluss zusammenbrechen lassen können. Außerdem geht man aktuell davon aus, dass Stellarator im Dauerbetrieb arbeiten können. Beim Tokamak wird noch erforscht, ob Strom im Plasma wirklich dauerhaft aufrechterhalten werden kann.

Dem Gegenüber steht, dass beim Stellarator die Magnetfeldgeometrie aufwändig optimiert werden muss. Ebenso ist das Spulensystem komplexer als bei Tokamaks, was bei Kraftwerken für längere Bauzeiten, höhere Kosten und eine höhere Fehleranfälligkeit sorgen könnte, wenn die Installation nicht korrekt durchgeführt wird.