Sauberer Brennstoff der Zukunft Kernfusion: JET stellt Energie-Weltrekord auf

Von Kristin Rinortner

In der weltgrössten Kernfusionsanlage JET im britischen Culham erzeugten europäische Wissenschaftler stabile Plasmen mit einer Energieausbeute von 59 Megajoule. Das entspricht einer Leistung von 11 Megawatt über einen Zeitraum von 5 Sekunden. Es waren weltweit die ersten Experimente dieser Art seit mehr als 20 Jahren.

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Kernfusionsreaktor: JET-Innenraum mit darübergelegter Plasmaaufnahme.
Kernfusionsreaktor: JET-Innenraum mit darübergelegter Plasmaaufnahme.
(Bild: UKAEA)

Fusionskraftwerke sollen nach dem Vorbild der Sonne die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium verschmelzen und dabei grosse Energiemengen freisetzen. Die einzige Anlage weltweit, die derzeit mit einem solchen Brennstoff arbeiten kann, ist das europäische Gemeinschaftsprojekt JET, der Joint European Torus im britischen Culham bei Oxford.

Die letzten Experimente mit dem Brennstoff künftiger Fusionskraftwerke liefen dort im Jahr 1997. Weil Tritium nur sehr selten vorkommt und besondere Anforderungen bei der Handhabung stellt, nutzen Forschungsteams stattdessen meist Wasserstoff oder Deuterium für Plasmaversuche. In späteren Kraftwerken soll Tritium während der Energieerzeugung quasi nebenbei aus Lithium gebildet werden.

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Die Kernfusion hat das Potenzial, eine sichere, nachhaltige und kohlenstoffarme Energie für die Grundlast zu liefern, die andere saubere Energiequellen wie Wind und Sonne ergänzt. Die Kernfusion könnte über viele tausend Jahre hinweg einen erheblichen Anteil der Weltenergie liefern.

Experimente mit Deuterium-Tritium-Gemischen

«Die Physik in Fusionsplasmen können wir sehr gut erforschen, indem wir mit Wasserstoff oder Deuterium arbeiten, deshalb ist das der Standard weltweit», erklärt Dr. Athina Kappatou vom Max-Planck-Institut für Plasmaforschung IPP, die mit ihren Kollegen Dr. Philip Schneider und Dr. Jörg Hobirk wesentliche Teile der europäischen Gemeinschaftsexperimente am JET leitete. «Für den Übergang zum internationalen Fusionsgrossexperiment ITER ist es allerdings wichtig, dass wir uns auf die dort herrschenden Bedingungen vorbereiten.»

ITER wird derzeit im südfranzösischen Cadarache gebaut und soll unter Einsatz von Deuterium-Tritium-Brennstoff zehnmal soviel Energie freisetzen können, wie an Heizenergie ins Plasma eingespeist wird.

Metallische Wandauskleidung des Plasmagefässes

Um das JET-Experiment möglichst nahe an künftige ITER-Bedingungen zu bringen, wurde von 2009 bis 2011 bereits die frühere Kohlenstoff-Auskleidung des Plasmagefässes durch eine Mischung aus Beryllium und Wolfram ersetzt, wie sie auch bei ITER geplant ist. Das Metall Wolfram ist widerstandsfähiger als Kohlenstoff, der überdies zu viel Wasserstoff einlagert.

Allerdings stellt die nun metallische Wand neue Anforderungen an die Qualität der Plasmasteuerung. Die jetzigen Experimente zeigen die Erfolge der Forscher: Bei Temperaturen, die zehnmal höher sind als diejenigen im Zentrum der Sonne wurden Rekordwerte an erzeugter Fusionsenergie erreicht.

Wie funktioniert ein Kernfusionsreaktor?

Beim Fusionsprozess werden leichte Atome wie Wasserstoff bei extrem hohen Temperaturen zusammengeführt. Bei über hundert Millionen Grad Celsius überwinden diese Teilchen ihre elektrische Abstossung und verschmelzen miteinander. Dabei bilden sich schwerere Kerne wie Helium und es werden enorme Energiemengen freigesetzt.

In einer Fusionsanlage wie einem Tokamak wird der Fusionsbrennstoff erhitzt, bis die Atome ionisiert sind. Elektronen und Ionen bilden ein Plasma, das in einem magnetischen Käfig gefangen wird, um zu verhindern, dass es durch den Kontakt mit der Innenwand der Anlage abkühlt.

Sobald das Plasma erzeugt ist, optimieren Forscher die Fusionsleistung. Mit Hilfe modernster Messgeräte (Diagnostik) und hochentwickelter computergestützter Vorhersagemodelle werden Druck, Ionen- und Elektronentemperatur angepasst und elektrische Ströme und andere Prozesse in der komplexen, magnetisierten Plasmaumgebung stabilisiert.

Weltrekord unter ITER-ähnlichen Bedingungen

Vor dem Einbau der metallischen Wand hatte JET 1997 den bis dato geltenden Energieweltrekord erreicht: Das Fusionsplasma erzeugte damals eine Energiemenge von 22 Megajoule. «In den jüngsten Experimenten wollten wir beweisen, dass wir sogar unter ITER-ähnlichen Bedingungen deutlich mehr Energie erzeugen können», erklärt Kappatou. Mehrere hundert Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen waren an der jahrelangen Vorbereitung der Versuche beteiligt.

Experimente bestätigten Ende 2021 die theoretischen Voraussagen und lieferten einen neuen Weltrekord: JET erzeugte mit Deuterium-Tritium-Brennstoff stabile Plasmen, die eine Energie von 59 Megajoule freisetzten.

Um Netto-Energie zu gewinnen – also mehr Energie freizusetzen, als die Heizungen liefern–, ist die experimentelle Anlage zu klein. Dies wird erst mit dem grösser dimensionierten Experiment ITER in Südfrankreich möglich sein. «Die jüngsten Experimente im JET sind ein wichtiger Schritt hin zu ITER», urteilt Prof. Sibylle Günter, wissenschaftliche Direktorin des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik. «Was wir in den vergangenen Monaten gelernt haben, wird es uns erleichtern, Experimente mit Fusionsplasmen zu planen, die wesentlich mehr Energie erzeugen als für ihre Heizung benötigt wird.»

Megawatt versus Megajoule

Beim jüngsten Rekordexperiment setzten die Fusionsreaktionen in JET während einer fünfsekündigen Phase einer Plasmaentladung insgesamt 59 Megajoule an Energie in Form von Neutronen frei. Damit erreichte JET eine Leistung von etwas mehr als 11 Megawatt im Durchschnitt über fünf Sekunden. Der bisherige Energierekord aus dem Jahr 1997 lag bei knapp 22 Megajoule Gesamtenergie und 4,4 Megawatt Leistung im Durchschnitt über fünf Sekunden.

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