Plasma in JET-Kammer

Schnelle Teilchen im magnetischen Käfig

Sie heißen Tokamak und Stellarator und liegen beide gut im Rennen. Welche der zwei Maschinentypen das Herzstück des ersten ans „Netz“ gehenden Fusionskraftwerks bilden wird, ist noch offen. So viel aber steht nach mehr als 50 Jahren Fusionsforschung fest: Eingesperrt in einem Käfig aus Magnetfeldlinien, werden ungeheuer schnelle Kerne von Deuterium- und Tritium-Atomen in beiden Varianten die zentrale Rolle spielen.

Bläulich leuchtendes Plasma im Inneren der Tokamak-Röhre.
Tokamak als Beispiel für Hochtemperaturplasma

Um das Innenleben künftiger Fusionskraftwerke besser zu verstehen, lohnt sich zunächst ein Blick auf die wohl älteste technisch genutzte Energiequelle: das Feuer. „Fast jeder hat eine Vorstellung, was in einer Kerzenflamme geschieht“, sagt Ulrich Samm, Direktor am Institut für Plasmaphysik (IPP) im Forschungszentrum Jülich. „In einer chemischen Reaktion verbrennen Wachs und andere kohlenstoffhaltige Verbindungen mit Sauerstoff zu Wasserdampf und Kohlendioxid. Die freiwerdende Energie nutzen wir als Licht und Wärme.“ Schon in der ersten Chemiestunde lernen Schüler, dass Vorgänge in den Elektronenhüllen der beteiligten Atome für diese bekannte Form der Verbrennung verantwortlich sind (Bild 

Starke Wechselwirkung

Anders bei der Kernfusion: Hier sind es die inneren Bausteine des Atomkerns – Protonen und Neutronen –, die miteinander in Wechselwirkung treten. „Die Kräfte, mit denen sich die Kernbausteine gegenseitig anziehen, gehören zu den stärksten Kräften überhaupt“, erklärt Fusionsexperte Samm. „Man nennt diese Kräfte meist ,Kernkraft‘. Wir Physiker sprechen auch von ,starker Wechselwirkung‘.“ Wenn zwei Atomkerne verschmelzen, wird durch ihre starke Anziehung Energie frei, die den Energiegewinn einer „einfachen“ chemischen Schalenreaktion um das Millionenfache übertreffen. Dass es trotzdem noch einzelne Atome gibt, die gesamte Materie des Universums nicht zu einem riesengroßen Superatom verschmolzen ist, hat einen relativ einfachen Grund: „Die Reichweite der starken Wechselwirkung ist nur sehr kurz, kaum weiter als der Durchmesser eines Atomkerns. Wird der Abstand zwischen den Kernbausteinen – besonders zwischen den positiv geladenen Protonen – größer, überwiegen die elektrostatischen Effekte. Die Teilchen stoßen sich gegenseitig ab“, erläutert der Jülicher Physiker. „Kernfusionen aber können nur gelingen, wenn die Fusionspartner genügend nah zusammenkommen.“

Mit Tempo zum Ziel

Die erste Hürde also, die es auf dem Weg zum Fusionskraftwerk zu überwinden gilt, ist die elektrostatische Abstoßung der Kernbausteine – vom Prinzip her keine allzu schwere Aufgabe: Man lässt die Kerne „einfach nur“ mit hohem Tempo aufeinanderprallen. Einzelne Teilchen auf die entsprechende Geschwindigkeit zu bringen, sei technisch relativ leicht zu machen, meint Ulrich Samm. „Die Beschleunigung in einem elektrischen Feld mit zehn Kilovolt Potentialdifferenz reicht dafür schon völlig aus.“ So viel schaffe bereits jede Röntgenröhre.

Kompliziert wird alles erst, wenn aus den Fusionsereignissen technisch nutzbare Energie gewonnen werden soll. In diesem Fall darf die Häufigkeit der Kernverschmelzungen pro Zeit- und Raumeinheit einen gewissen Schwellenwert nicht unterschreiten. In einem festgelegten Raumbezirk müssen also stets ausreichend viele und schnelle Atome „gefangen“ sein.

Je heißer, desto schneller

Der eine Wissenschaftler spricht von „Teilchengeschwindigkeit“, der andere von „Temperatur“. Gemeint ist jedes mal dasselbe: Je höher die Temperatur in einem Reaktionsgemisch, desto schneller fliegen die Teilchen hin und her. Extreme Temperaturen von 100 Millionen Grad sind nötig, um die bevorzugten „Brennstoffe“ der irdischen Kernfusion, die Kerne der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium, zur Kollision zu bringen. „Mit elektrischem Strom, energiereichen Neutralteilchen oder hochfrequenten Mikrowellen ein durchaus lösbares Problem“, versichert Dr. Jef Ongena, Experte für die Plasmaheizung im Jülicher Institut für Plasmaphysik.

Schwieriger, als das Fusionsgemisch zu heizen, ist es, das Plasma zusammenzuhalten und gegen Abkühlung zu isolieren. Bei Sternen, die ihre Energie durch Kernfusion erzeugen, reicht dazu allein die Schwerkraft aus. Der Grund ist ihre ungeheure Masse. Künstliche Plasmen auf der Erde wiegen bestenfalls wenige Gramm. Verglichen etwa mit der Sonne ist ihre Teilchenzahl verschwindend klein. Um ein Fusionsfeuer auf der Erde zu entfachen, müssen die Plasmaphysiker deshalb einen eigenen Weg gehen: Sie sperren das Plasma in einen Käfig aus Magnetfeldlinien.

Schematischer Aufbau des Tokamak: Zwischen zwei ringförmigen, horizontalen Magnetspulen, der Transformatorspule und der Magnetspule für das Zusatzfeld, liegt die reifenförmig gewickelte Magnetspule für das Hauptfeld. Im Inneren dieser regelmäßigen Wicklung fließt der Plasmastrom. An ihm sind die schraubenförmig umlaufenden Magnetfeldlinien und Strömungsrichtung markiert.
Magnetischer Einschluss heißer Plasmen

Magnetische Gitterstäbe

„Die frei beweglichen negativen Elektronen und positiven Kerne geben dem Plasma die Eigenschaft eines elektrischen Leiters“, erklärt Ulrich Samm. „Wo sich Ladungsträger bewegen, also elektrische Ströme fließen, entstehen nach einem Naturprinzip immer magnetische Felder. Umgekehrt verändern Magnetfelder auch den Stromfluss; sonst würde kein Transformator funktionieren.“ Strom erzeugt Magnetfelder, Magnetfelder verändern den Strom: Auf dieser doppelten Wechselwirkung beruht auch der magnetische Plasmaeinschluss.

Ein einfaches Plasmagefängnis lässt sich theoretisch schon mit einem Kranz kreisrunder Leiterspulen bauen. In der Mitte der stromdurchflossenen Spulen bildet sich ein mehrschichtiges, zu einem Ring geschlossenes System (Torus) mit parallelen Magnetfeldlinien aus – magnetische Gitterstäbe sozusagen. Die Geometrie des Spulenkranzes und seiner Magnetfelder bringt es jedoch mit sich, dass die „Gitterstäbe“ des Torus außen weiter auseinanderliegen als innen. Um die Schlupflöcher für die Fusionspartikel zu schließen und einen gleichmäßigen Feldlinienabstand zu erreichen, verdrillt man die Feldlinien in Form einer Spirale. Zwei unterschiedliche Prinzipien bieten sich hierzu an (Bild 2).

Tokamak und Stellarator

Bei der ersten Variante, nach der auch der Jülicher Tokamak funktioniert, wird der vom Spulenkranz erzeugte toroidale Magnetkäfig durch ein zweites Magnetfeld überlagert. Dieses bezieht seine Kraft aus einem im Plasma fließenden Ringstrom. Träger des Stroms sind die Elektronen des Plasmas, deren Bewegung, wie der Stromfluss in der Sekundärspule eines Transformators, durch elektrische Induktion angetrieben wird. Bild 3 zeigt im Experiment, wie sich Elektronen und Atomkerne im Jülicher Tokamak entlang der toroidalen Magnetfeldlinien bewegen.

Blick ins Innere des Tokamak-Kammer, in deren Dunkel dünne, rosa leuchtende Plasmaspuren die Feldlinien sichtbar machen.
Magnetische Feldlinien im Tokamak

Die Kombination mehrerer Magnetfelder liefert die gewünschten magnetischen Oberflächen mit parallel verschraubten, gleichmäßig dichten Feldlinien. Wie bei einer russischen Matrioschka, bei der eine Holzpuppe die nächstkleinere freigibt, umhüllt im Tokamak eine Magnetfläche die nächstinnere. Russische Fusionstechnologen waren es auch, die dieses Prinzip des Plasmaeinschlusses bereits in den frühen 60er Jahren erfanden und ihm den Namen gaben: „Toroidalnaya kamera s magnitnymi katushkami“, kurz: „Tokamak“, frei übersetzt „toroidale magnetische Kammer“.

„Experimentieranlagen vom Tokamak-Typ kamen den Bedingungen für eine Zündung und das selbständige Brennen des Fusionsgemischs bisher am nächsten“, berichtet Institutsleiter Samm. Allerdings fließt der durch Transformation erzeugte Plasmastrom nur so lange, wie die Primärspule des Systems von einem ansteigenden Strom durchflossen wird. Danach endet die Plasma-Entladung – im Laborjargon „Schuss“ -, und ein erneutes Hochfahren des Transformators ist erforderlich (Bild 5). Ein Tokamak-Fusionskraftwerk könnte daher heute Energie nur phasenweise – also mit Unterbrechungen – liefern. Das ist zwar ein Manko, aber es gibt bereits Vorschläge, es zu beheben.

Die zweite Einschluss-Variante – der Stellarator – kennt diese Sorge nicht. Mit „kunstvoll“ geformten Spulen wird ein von vornherein verdrilltes Magnetfeld aufgebaut, dem sich das Plasma anpasst. Ein Ringstrom wird nicht benötigt, der Stellarator arbeitet kontinuierlich. Dabei hängt die Qualität des Einschlusses maßgeblich von der Geometrie der Spulen ab. Erst mit verbesserter Rechentechnik und neuen Simulations- und Konstruktionsprogrammen konnte die optimale Form der Spulen errechnet werden.

2 + 3 = 4 + 1 + Energie

Grafik: schrittweise Darstellung, wie Deuteriumkern und Tritiumkern zum instabilen Helium-5-Kern verschmelzen. Dieser zerfällt bald in einen stabilen Heliumkern und ein einzelnes Neutron, beide mit hoher Bewegungsenergie.
Schema der Fusionsreaktion

Ist das Plasma nach dem einen oder anderen Prinzip eingeschlossen, auf 100 Millionen Grad erhitzt und gegen Abkühlung geschützt, können die Energie liefernden Verschmelzungsprozesse starten. Mit einer Geschwindigkeit von etwa 1000 Kilometern pro Sekunde rasen Deuterium- und Tritium-Kerne aufeinander zu. Deuterium oder „schwerer Wasserstoff“ (1 Proton und 1 Neutron im Atomkern) und das radioaktive Tritium oder „überschwerer Wasserstoff“ (1 Proton, 2 Neutronen) sind die Atome oder Wasserstoffisotope, mit denen sich Fusionsreaktionen auf der Erde am leichtesten herbeiführen lassen (Bild 4). Beim Zusammenstoß der beiden Isotopenkerne entstehen ein Helium-Kern (2 Protonen, 2 Neutronen) sowie ein einzelnes Neutron. In der Bewegungsenergie der Neutronen stecken rund 80 Prozent der Fusionsenergie, in jener des Heliums etwa 20 Prozent. Die Energie beider Fusionsprodukte kann zur Plasmaheizung und zur Energieproduktion in einem Kraftwerk genutzt werden.

Während die Helium-Kerne als positiv geladene Teilchen zunächst im Magnetfeldkäfig gefangen bleiben, können die Neutronen als Neutralteilchen das Fusionsgemisch ungehindert verlassen. Sie gehen mit der Umgebung – das heißt mit den Wänden der Fusionskammer – zahlreiche unterschiedliche Wechselwirkungen ein. Die Untersuchung dieser Plasma-Wand-Wechselwirkungen ist ein Schwerpunkt der Fusionsforschung am Jülicher Tokamak TEXTOR-94.