Fusion mittels magnetischen Einschlusses

Grundidee und Bedeutung

Fusion mittels magnetischen Einschlusses ist der heute meistverfolgte Entwicklungsweg, um elektrische Energie technisch aus Kernfusion zu gewinnen. Konzepte, bei denen ein Fusionsreaktor auf magnetischem Einschluss beruht und kommerziell nutzbare elektrische Leistung liefern soll, heißen auch Magnetische Fusionsenergie, kurz MFE. Dieser Weg gilt allgemein als weiter fortgeschritten und für industrielle Anwendungen vielversprechender als die ebenfalls erforschte Trägheitsfusion.

Bei den heute konkret verfolgten Projekten sollen leichte Atomkerne zu schwereren verschmelzen. Verwendet werden vor allem die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium; sie verwandeln sich bei der Fusion in Helium-4. Eine einzelne Fusionsreaktion kann stattfinden, wenn ein Deuteriumkern und ein Tritiumkern einander sehr nahekommen. Wegen der elektrostatischen Abstoßung der positiv geladenen Kerne ist dafür eine sehr hohe kinetische Energie von etwa 10 bis 20 keV nötig. Das entspricht Temperaturen von etwa 100–250 Millionen Grad Celsius. Bei solchen Temperaturen sind Atomkerne und Elektronen getrennt: Es entsteht ein Plasma, also ein Gas aus freien geladenen Teilchen.

Magnetischer Einschluss des Plasmas

Ein so heißes Plasma kann nicht einfach in ein materielles Gefäß eingeschlossen werden. Bei Berührung mit kalten Wänden würde es sofort so stark abkühlen, dass der Plasmazustand endet. Deshalb nutzt man geeignet geformte Magnetfelder. Auf bewegte geladene Teilchen wirkt im Magnetfeld die Lorentzkraft. Sie kann Elektronen und Ionen von der Gefäßwand fernhalten.

Die Teilchen bewegen sich dabei auf schraubenförmigen Bahnen um Magnetfeldlinien. Diese Bewegung kann man sich aus zwei Anteilen zusammengesetzt vorstellen: einer Bewegung entlang einer Magnetfeldlinie und einer kreisförmigen Bewegung senkrecht dazu um die Feldlinie herum. Betrachtet man das Plasma als Fluid, wird sein nach außen gerichteter Druck durch den nach innen gerichteten Magnetfelddruck kompensiert. Der notwendige Plasmadruck liegt in der Größenordnung von 1 bar und konnte in bisherigen Experimenten sekunden- bis minutenlang aufrechterhalten werden.

Der einfachste magnetische Einschluss wäre eine lange Zylinderspule. Ihr Magnetfeld verhindert Teilchenverluste in radialer Richtung, aber nicht an den Enden der Spule. Um solche Endverluste zu vermeiden, gibt es im Wesentlichen zwei Wege: magnetische Spiegel an den Spulenenden oder eine ringförmige, geschlossene Anordnung, also einen Torus.

Spiegelmaschinen und ihre Grenze

Magnetische Spiegelanordnungen, im Fachjargon auch Spiegelmaschinen genannt, waren in den Anfangsjahren der Fusionsforschung ein wichtiges Forschungsgebiet. Sie haben praktische Vorteile gegenüber torusförmigen Anlagen, etwa bei Wartungsarbeiten und beim Auswechseln von Teilen.

Die meisten Spiegelmaschinen versuchten, das Plasma an den Enden der Spule durch nichtplanare magnetische Felder einzuschließen. Ein einfacher magnetischer Spiegel mit flaschenhalsförmigem Verlauf der Feldlinien reicht aber nicht aus, um heißes Fusionsplasma festzuhalten. Mit zusätzlichen Magneten komplizierter Form kann man erreichen, dass die Feldlinien größtenteils im Inneren des Einschlussvolumens zurückgebogen werden, sodass auch schnelle Teilchen eingeschlossen bleiben.

Trotzdem gibt es aus Symmetriegründen in jeder Spiegelkonfiguration eine für Teilchen durchlässige Stelle. Anschaulich heißt das: Es gibt eine Feldlinie, die nicht im Inneren des Gefäßes geschlossen ist, sondern aus dem Einschlussgebiet hinausführt. Auch fortschrittliche Konstruktionen, etwa beim MFTF-Experiment, können diesen Verlust nie völlig verhindern.

Tokamak, Stellarator und toroidale Felder

Die wichtigsten und erfolgversprechendsten Konzepte nutzen eine toroidale Geometrie, also eine ringförmige Form. Die zwei zentralen Konzepte sind Tokamak und Stellarator. Ein rein toroidales Magnetfeld reicht jedoch nicht aus. Wegen der Gradienten- und Krümmungsdrift würden Elektronen und Ionen aus dem Einschlussgebiet driften. Auf der Innenseite eines Torus ist die Magnetfeldstärke höher als auf der Außenseite, weil dort die Spulen dichter stehen. Dadurch entstehen unterschiedliche Driften von Elektronen und Ionen, eine Ladungstrennung, ein elektrisches Vertikalfeld und schließlich eine Drift nach außen, die den Einschluss zerstört.

Die Lösung ist eine zusätzliche poloidale Komponente des Magnetfeldes. Poloidal bedeutet: um den kleinen Querschnitt des Torus herum. Zusammen mit dem toroidalen Feld entsteht ein helikal, also schraubenförmig, verdrilltes Magnetfeld. Plasmateilchen folgen dann Feldlinien, bei denen sich Driften zum Plasmazentrum und vom Plasmazentrum weg im Mittel ausgleichen.

Tokamak und Stellarator unterscheiden sich darin, wie diese poloidale Magnetfeldkomponente erzeugt wird. Beim Tokamak entsteht sie durch einen im Plasma induzierten Strom; das bringt Nachteile für die Plasmastabilität mit sich. Beim Stellarator erzeugen besonders aufwändig geformte Magnetspulen die nötige dreidimensionale Feldstruktur. Im Tokamak ist das Magnetfeld dagegen zweidimensional, also rotationssymmetrisch um die Torusachse.

Ein früher Stellarator wurde 1951 von Lyman Spitzer entwickelt. Er bestand im Wesentlichen aus einem in zwei Halbringe geteilten Torus, dessen Hälften über zwei gerade, sich kreuzende Rohre zu einer Acht verbunden waren. Seit der Veröffentlichung russischer Tokamak-Ergebnisse im Jahr 1968 wurde das Tokamak-Prinzip zum meistverfolgten Konzept des magnetischen Einschlusses, weil es damals andere Fusionsreaktorkonzepte deutlich übertraf.

Flussflächen, Anlagen und kompakte Tori

Im toroidalen Einschluss bilden die helikal verdrillten Magnetfeldlinien ineinandergeschachtelte magnetische Flussflächen um eine zentrale magnetische Achse. Da Feldlinien sich nicht schneiden können, besitzt jede Flussfläche eine feste Verdrillung, die Rotationstransformation genannt wird. Ohne Störungen würde ein geladenes Teilchen auf derselben Flussfläche bleiben und dort toroidal und poloidal umlaufen. Durch Stöße kann sich auf einer Flussfläche ein Gleichgewicht zwischen Plasmateilchen bilden, sodass man ihr thermodynamische Größen wie Temperatur, Dichte und Druck zuordnen kann.

Bestimmte Flussflächen, sogenannte rationale Flussflächen, sind empfindlich gegen kleine Magnetfeldstörungen. Dort können inselartige Magnetfeldstrukturen entstehen. Solche Inseln bilden Schwachpunkte oder Löcher im magnetischen Käfig und können zum Verlust von Plasma führen. Für den Einschluss sind starke Ströme in großen Spulen nötig, in der Größenordnung von 20 kA. In einem Kraftwerk müsste ein Plasmadruck von mehreren bar erreicht werden; das gilt mit geeigneten Supraleitern als erreichbar.

Zu den großen Experimenten gehören der Tokamak JET, seit 1983 in Betrieb, mit dem kurzzeitig Fusionsleistung im Megawatt-Maßstab erzeugt wurde; das Heliotron LHD, seit 1998 in Betrieb; der Stellarator Wendelstein 7-X, seit 2015 in Betrieb, der ein stabiles Plasma mit fusionsrelevanten Parametern für 30 Minuten aufrechterhalten soll; und der Tokamak ITER, dessen Bau 2006 begann und dessen Fertigstellung nicht vor 2035 erwartet wird. ITER soll erstmals netto Fusionsleistung erzeugen, also mehr Fusionsleistung als benötigte Heizleistung.

Kompakte Tori wie der Spheromak und die FRC, Field-Reversed Configuration, versuchen die guten Einschlusseigenschaften geschlossener magnetischer Flächen mit der Einfachheit von Maschinen ohne zentrale Spule zu verbinden. Weitere neuere toroidale Konfigurationen sind der Reversed Field Pinch und das schwebende Dipol-Experiment.

Lawson-Kriterium und Energiegewinn

Ein wichtiges Ziel der Plasmaphysik ist die Annäherung an das Lawson-Kriterium. Es beschreibt Bedingungen für ein Plasma, das ohne äußere Energiezufuhr weiter „brennen“ würde. Dabei müssen Teilchendichte, Temperatur und Energieeinschlusszeit hoch genug sein. Alle genannten Konzepte haben damit Schwierigkeiten. Instabilitäten wie Edge-Localized Modes, kurz ELM, können dazu führen, dass Plasma aus dem Einschlussbereich ausbricht und die Gefäßwand berührt. Dabei können schwere Teilchen wie Kohlenstoff oder Eisen aus der Wand herausgelöst werden. Dieser Vorgang heißt Sputtering oder Zerstäubung. Die Teilchen mischen sich ins Plasma und senken seine Temperatur durch Bremsstrahlung. Auch Turbulenz ist wichtig, weil sie Teilchen und Energie aus dem Plasma heraustransportiert und die Energieeinschlusszeit verkürzt.

Seit den 1990er-Jahren gab es beachtliche Fortschritte bei Dichte, Temperatur und Energieeinschlusszeit sowie beim Verständnis der Prozesse. In JET-Experimenten wurden kurzzeitig bis zu 16 Megawatt Fusionsleistung erreicht. Außerdem wurde das Verhalten von Heliumkernen, sogenannten Alpha-Teilchen, in schwach brennenden Plasmen untersucht. Elektromagnetische Wellen können in das Plasma eingestrahlt werden, um Teilchenbahnen zu beeinflussen und Ströme zu treiben, die einschließende Magnetfelder erzeugen.

Für magnetischen Einschluss muss das Lawson-Kriterium nicht unbedingt erfüllt sein, weil das Plasma während der Energieerzeugung weiter geheizt werden kann. Für Netto-Energiegewinn ist nur nötig, dass die nutzbare Fusionsleistung die zugeführte Heizleistung übersteigt. Das wird manchmal Scientific break-even genannt. Der Verstärkungsfaktor lautet: Qp = Fusionsleistung / äußere Heizleistung. Ein erfülltes Lawson-Kriterium entspräche Qp = ∞. In JET wurde 1997 Qp = 0,65 erreicht. Qp = 1 entspricht dem Scientific break-even. Der nächste Meilenstein wäre der Engineering break-even, bei dem die Fusionsleistung den gesamten Eigenverbrauch des Kraftwerks einschließlich Kühlung übersteigt. Für wirtschaftliche Energiegewinnung dürfte ein Qp jenseits von 10 nötig sein. ITER ist auf Qp ≈ 10 ausgelegt. Auch spätere Leistungsreaktoren wird man voraussichtlich so auslegen, dass das Lawson-Kriterium nicht erfüllt wird, sondern eine schwache Zusatzheizung von wenigen Prozent der Fusionsleistung zur Steuerung erhalten bleibt.