Ziel der internationalen Fusionsforschung ist es, ein

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1 DOI: /piuz Fusionsforschung mit Stellaratoren Wendelstein 7-X im Betrieb Isabella Milch Wendelstein 7-X, die weltweit größte Fusionsanlage vom Typ Stellarator, soll die Kraftwerkseignung dieser Bauweise untersuchen. Ende 2015 leuchtete das erste Plasma, jetzt stellt Wendelstein 7-X neue Stellarator-Rekorde auf. Ziel der internationalen Fusionsforschung ist es, ein klima- und umweltfreundliches Kraftwerk zu entwickeln, das wie die Sonne die Verschmelzung von leichten Atomkernen zur Energiegewinnung nutzt. Allerdings lässt sich die bei etwa 15 Millionen Kelvin in der Sonne ablaufende Fusion von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen nicht auf der Erde kopieren, denn dies geschieht bei einem enormen Plasmadruck von etwa zweihundert Milliarden Atmosphären. Deshalb wählt man eine alternative Fusionsreaktion, in der Deuterium und Tritium zu Helium verschmelzen. Dabei setzt 1 g Brennstoff kwh Energie frei, was der Verbrennungswärme von 11 t Kohle entspricht. Bei der Reaktion in einem zukünftigen Kraftwerk tragen die Heliumkerne etwa 20 % der freiwerdenden Energie und heizen damit das Plasma nach. Die übrigen 80 % transportieren die freigesetzten Neutronen zur Wand des Plasmagefäßes. Dort wird die Fusionswärme auf ein Kühlmittel übertragen, das Turbinen eines elektrischen Generators antreibt. Diese alternative Fusionsreaktion erfordert zwar eine Zündtemperatur von 100 Millionen Kelvin und Betriebstemperaturen bis zu 300 Millionen Kelvin im Plasma. Dafür benötigt sie nur wenige Atmosphären Druck. Das elektrisch geladene Plasma lässt sich daher in geeignet geformten Magnetfeldern einschließen. Ein direkter Kontakt mit INTERNET Max-Planck-Institut für Plasmaphysik Wendelstein 7-X im 360 -Panorama (Fotos: V. Steger) ASDEX Upgrade im 360 -Panorama (Fotos: V. Steger) Website von Iter einer materiellen Gefäßwand verbietet sich bei den hohen Temperaturen. Allerdings ist der Grund weniger eine etwaige Beschädigung der Gefäßwand, jedoch würde sich das ultradünne Plasma bei Wandkontakt sofort abkühlen und die Fusionsreaktion stoppen. Für die Experimentieranlagen haben sich zwei verschiedene Bauweisen durchgesetzt, Tokamak und Stellarator genannt. Den magnetischen Käfig, der das heiße Plasma einschließt, bauen die beiden auf unterschiedliche Weise auf (siehe Tokamak und Stellarator auf S. 21). Im Max- Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) werden beide Anlagentypen im direkten Vergleich untersucht: 2015 ging in Greifswald der Stellarator Wendelstein 7-X in Betrieb (Abbildung 1), seit 1991 wird in Garching an dem Tokamak ASDEX Upgrade geforscht. Im Tokamak JET (Joint European Torus), einer europäischen Gemeinschaftsanlage im britischen Culham, gelang es 1997 erstmals, kurzzeitig eine Fusionsleistung von 16 MW zu erzeugen. Mehr als die Hälfte der zur Plasmaheizung verbrauchten Leistung wurde dabei per Fusion zurückgewonnen. Für einen Nettogewinn an Energie ist das JET-Plasma mit 80 m 3 Volumen jedoch zu klein. Gegenwärtig traut man nur einer Anlage vom Typ Tokamak ein energielieferndes Plasma zu. Das ist der internationale Testreaktor Iter (lat. für der Weg ), der zurzeit in weltweiter Zusammenarbeit in Cadarache in Frankreich aufgebaut wird. Sein rund 830 m 3 umfassendes Plasmavolumen soll eine Fusionsleistung von 500 MW erzeugen. Obwohl Wendelstein 7-X mit einem Plasmavolumen von 30 m 3 wesentlich kleiner ist als Iter und keine Fusionsenergie erzeugen wird, soll die Anlage dennoch beweisen, dass auch Stellaratoren kraftwerkstauglich sind. Mit Wendelstein 7-X soll die Qualität des Plasmaeinschlusses derjenigen eines Tokamaks ebenbürtig werden. Dreißig Minuten lange Plasmaentladungen ohne Tritium sollen außerdem das wesentliche Plus der Stellaratoren vorführen: die Fähigkeit zum Dauerbetrieb. Dagegen können Tokamaks ohne aufwendige Zusatzmaßnahmen lediglich in Pulsen arbeiten. Stellarator-Optimierung Am Anfang des Wegs zu Wendelstein 7-X stand die systematische Suche nach dem richtigen Magnetfeld. Dem ging die Einsicht voraus, dass klassische Stellaratoren, wie sie seit den 1950er-Jahren untersucht wurden, das Plasma weniger gut einschließen können als Tokamaks. Als Grund für dieses Manko der klassischen Stellaratoren erkannte man Online-Ausgabe unter: 16 Phys. Unserer Zeit 1/2019 (50) wileyonlinelibrary.com 2019 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

2 WENDELSTEIN 7-X FUSIONSFORSCHUNG Abb. 1 Die Fusionsanlage Wendelstein 7-X in Greifswald (Foto: IPP, V. Steger). die fehlende Symmetrie ihrer komplexen dreidimensionalen Geometrie. Es zeigte sich jedoch, dass diejenigen physikalischen Größen, die den Einschluss bestimmen, dennoch symmetrisch gestaltet werden können. Diese Entdeckung führte zur Entwicklung der quasisymmetrischen Stellaratoren mit einer vorerst in der Theorie den Tokamaks vergleichbaren Einschlussqualität [1]. In mehr als zehnjähriger Arbeit untersuchte dazu die Gruppe Stellarator-Theorie des IPP das weite Gebiet möglicher Stellarator-Magnetfelder. Mit erheblichem Theorieund Rechenaufwand wurden die besten Felder gesucht, die das Plasma besonders stabil halten und wärmeisolieren. Für diese wurde dann eine geeignete Form der Magnetspulen berechnet. Sieben aus den Kraftwerkserfordernissen abgeleitete Forderungen soll das optimierte Magnetfeld gleichzeitig erfüllen. Verlangt ist erstens eine geringe Rückwirkung des Plasmadrucks auf das einschließende Magnetfeld und zweitens eine gute Qualität des Magnetfeldes sowie Robustheit gegenüber möglichen Feldstörungen. Drittens ist eine für einen ökonomischen Kraftwerksbetrieb notwendige Energiedichte des Plasmas bei nicht zu hohem Magnetfeld gefordert. Viertens sollen die Wärmeverluste des Plasmas in der richtigen Größenordnung liegen in den früheren Stellarator-Konzepten wären die Wärmeverluste unakzeptabel hoch gewesen. Fünftens muss der sogenannte Bootstrap- Strom vernachlässigbar klein sein. Dieser Ringstrom wird hervorgerufen durch den radialen Dichte- und Temperaturabfall im Plasma und könnte das Magnetfeld unerwünscht verformen. Sechstens müssen auch schnelle Teilchen gut eingeschlossen bleiben eine besondere Schwachstelle klassischer Stellaratoren. Denn in einem späteren Kraftwerk müssen die bei der Fusion entstehenden schnellen Heliumkerne das Plasma auf Fusionstemperatur halten, wenn nach der Zündung des Fusionsfeuers die äußere Heizung abgeschaltet ist. Schließlich soll siebtens der Magnetfeldkäfig durch ein System modularer supraleitender Spulen technisch möglichst einfach und kostengünstig herzustellen sein. Diese sieben Kriterien verlangten die Formulierung neuer, komplexer Rechenprogramme und die Entwicklung passender Rechenmethoden, um die großen Programme mit brauchbarer Geschwindigkeit durch den Computer zu schleusen. Insgesamt wurde die Optimierung erst durch die Supercomputer möglich, die ab den 1980er Jahren zur Verfügung standen. Einzelne Elemente dieser Optimierungsrechnungen unterzog die Fusionsanlage Wendelstein 7-AS einem ersten experimentellen Test [2]. Wendelstein 7-AS, der von 1988 bis 2002 in Garching betrieben wurde, war damit die erste Anlage der neuen Generation der Advanced Stellarators (AS). Das verbesserte Magnetfeld wurde von 45 speziell geformten, modularen Kupfer-Magnetspulen komplett von außen erzeugt, also ohne wie der Tokamak einen Strom im Plasma zu benötigen. Mit Hilfe dieser nichtebenen Einzelspulen ließ sich das Magnetfeld relativ frei formen, sodass dessen lokale Stärke und Krümmung gut an die Vorgaben der Optimierung anzupassen waren. Es schloss ein Plasma mit einem Volumen von rund einem Kubikmeter für Pulsdauern von 3 s ein. Das Ergebnis: Wendelstein 7-AS hat die zugrunde gelegten Optimierungsprinzipien sämtlich bestätigt und alle Stellarator-Rekorde in seiner Größenklasse Einschluss, Dichtegrenze, Stabilität und relative Pulslänge gebrochen. Für den Nachfolger Wendelstein 7-X wurde das Konzept der nichtebenen Spulen konsequent weiterverfolgt und die Optimierung des Magnetfeldes mit Hilfe leistungsfähigerer Supercomputer fortgesetzt (Abbildung 2). Mit einem Plasmavolumen von 30 m 3 ist Wendelstein 7-X deutlich größer als sein Vorgänger. Um die wesentliche Stellaratoreigenschaft, den Dauerbetrieb, zeigen zu können, ist die Anlage mit supraleitenden Spulen ausgerüstet. Im Endausbau sollen dreißig Minuten lange Entladungen möglich werden. Die Baugenehmigung für Wendelstein 7-X wurde 1996 erteilt; ab 2005 entstand die Anlage im Zuge der Wende an der Ostseeküste in dem 1994 gegründeten Teilinstitut des IPP in Greifswald. Montage Technisches Kernstück der Anlage ist ein Ring von 50 nicht ebenen, etwa 3,5 m hohen Magnetspulen (Abbildung 3). Für sie wurde im IPP ein flexibles supraleitendes Kabel aus Niob-Titan mit Aluminiumhülle entwickelt. Mit flüssigem Helium auf Supraleitungstemperatur von 3,4 K abgekühlt, verbrauchen sie nach dem Einschalten kaum Energie. Um das Magnetfeld verändern zu können, ist diesen Stellarator- Spulen ein zweiter Satz von zwanzig flachen, ebenfalls supraleitenden Spulen überlagert. Eine massive, ringförmige Stützstruktur hält alle Spulen trotz hoher Magnetkräfte exakt in Position Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 1/2019 (50) Phys. Unserer Zeit 17

3 Abb. 2 Computergrafik von Plasma, Magnetspulen samt Verkabelung und Kühl leitungen, innerer Stützstruktur sowie Teilen der Außenhülle der Fusionsanlage Wendelstein 7-X (Grafik: IPP). Den gesamten Spulenkranz umschließt eine wärmeisolierende Edelstahlhülle von 16 m Durchmesser, der Kryostat (Abbildung 4). Eine mit Helium arbeitende Kälteanlage stellt 5000 W Leistung bereit, um die Magnete und ihre Abstützung auf Supra leitungstemperatur zu kühlen. Im Inneren des Spulenkranzes liegt das stählerne Plasmagefäß, das in seiner eigenwilligen Form dem verwundenen Plasmaschlauch angepasst ist. Durch seine rund 200 Öffnungen, die Abbildung 2 teilweise zeigt, wird das Plasma beobachtet und geheizt sowie das Plasmagefäß gekühlt. Ebenso viele Stutzen laufen durch den kalten Spulenbereich hindurch und verbinden diese Öffnungen mit der Außenwand des Kryostaten. Die Montage von Wendelstein 7-X begann im April 2005 [3]. Die ganze Anlage besteht aus fünf nahezu baugleichen Modulen, die vormontiert und dann in der Experimenthalle kreisförmig zusammengesetzt wurden. Dazu hob man jeweils ein Teilstück des Plasmagefäßes in zwei Vormontagestände hinein. Dann fädelte man mit einem Spezialgreifer je eine der sechs Tonnen schweren Magnetspulen über nur Millimeter breite Zwischenräume auf das Gefäß segment auf. Erst jetzt konnte man jeweils einen zweiten Plasmagefäß-Sektor anschweißen und die Wärmeisolation an den Nahtstellen vervollständigen. Diese Superisolation trennt die tiefkalten Magnetspulen von ihrer warmen Umgebung. Sie besteht aus passgenau gefertigten glasfaserverstärkten Kunststoffpaneelen, gefüttert mit mehreren Lagen aluminiumbeschichteter Kaptonfolie und Glasseide. Anschließend fädelte man jeweils vier weitere Stellarator-Spulen und zwei Zusatzspulen von vorne und hinten auf das Gefäßstück. Die Spulen verschraubte man mit einem Segment des Tragrings. Nach vielen weiteren Zusatzarbeiten und zahlreichen Kontrollvermessungen wurden je zwei Halbmodule in einem dritten Montagestand miteinander verbunden (Abbildung 5). Es folgte die Verrohrung für die Heliumkühlung sowie die elektrische Verschaltung der Spulen. Die supraleitenden Verbindungsstücke hierzu lieferte das Forschungszentrum Jülich, das zudem Diagnostikentwicklungen übernahm. Zahlreiche weitere Forschungseinrichtungen trugen zum Aufbau der Anlage bei. So investierten Spezialisten für Supraleitungstechnik der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Krakau über 160 Personenjahre Arbeitszeit, um die Verbindungen der Stellaratorspulen zu montieren. Die US-amerikanischen Fusionsinstitute in Princeton, Oak Ridge und Los Alamos trugen mit magnetischen Zusatzspulen, Messgeräten und der Planung von Teilen der Wandverklei- 18 Phys. Unserer Zeit 1/2019 (50) Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

4 WENDELSTEIN 7-X FUSIONSFORSCHUNG dung im Wert von über 7,5 Millionen US-Dollar zur Ausrüstung von Wendelstein 7-X bei. Nach abgeschlossener Vormontage war jedes der fünf Module mittlerweile 120 t schwer. Nun hob man sie nacheinander in der Experimenthalle in die Unterschale des Außengefäßes hinein und stellte sie auf das eigentliche Maschinenfundament (Abbildung 6). Dann setzte man die Oberschale des Außengefäßes auf und verschweißte sie. Anschließend baute man noch 60 Stutzen samt ihrer Thermoisola tion ein, die das Plasma- und das Außengefäß durch den kalten Spulenbereich hindurch verbinden. Es folgten die Inneneinbauten im Plasmagefäß, insbesondere die zahlreichen Halterungen für den Divertor. Seine Prallplatten schützen die Gefäßwand und dienen dazu, Verunreinigungen und einen Teil der Wärmeenergie aus dem Plasma abzuführen. Schließlich standen alle fünf Module in der Experimentierhalle und konnten miteinander sowie mit der Stromund Heliumversorgung verbunden werden. Damit war die Basismaschine fertig. Hinzu kamen die Versorgungseinrichtungen für elektrische Energie und Kühlung, die Maschinensteuerung und schließlich die ersten der zahlreichen Messgeräte, die das Verhalten des Plasmas diagnostizieren. Parallel wurde das Mikrowellensystem zum Aufheizen des Plasmas aufgebaut. Im Endausbau strahlen zehn Gyrotrons Mikrowellen einer Gesamtleistung von etwa 8 MW in das Plasma ein. Die für das 2,5 T starke Magnetfeld von Wendelstein 7-X benötigte Mikrowellenfrequenz beträgt 140 GHz, was einer Wellenlänge von 2 mm entspricht. Die Gesamtverantwortung für diese Heizung übernahm das Forschungszentrum Karlsruhe, die Übertragungsleitungen betreuten Experten der Universität Stuttgart. Sie entwickelten für Wendelstein 7-X eine quasioptische Übertragungsleitung, welche die Mikrowellen vom Entstehungsort über zahlreiche Metallspiegel in das Plasma lenkt. Abb. 3 Eine der 50 Stellarator-Magnetspulen, eingehängt in ein drehbares Gestell, mit dem die Spulen bei der Montage über das Plasmagefäß gefädelt wurden (Foto: IPP, B. Kemnitz). Start der Experimente Nach neun Jahren Bauzeit und über einer Million Montagestunden war im April 2014 die Hauptmontage von Wendelstein 7-X abgeschlossen. Die Betriebsvorbereitungen begannen: Nacheinander wurden alle technischen Systeme geprüft das Vakuum in den Gefäßen, das Kühlsystem, das Steuersystem, die Heiz- und Messapparaturen sowie die supraleitenden Spulen und das von ihnen erzeugte Magnetfeld. Dabei zeigte sich, dass die gewünschte Gestalt des magnetischen Feldes sehr exakt realisiert worden war [4]. Die gemessenen Abweichungen von der berechneten Sollform waren geringer als ein Hundertstel Promille: Folgt man einer Magnetfeldlinie über eine Länge von 100 Metern, also etwa über die Länge eines Fußballfeldes, dann trifft sie ihr Ziel auf einen Millimeter genau. Am 10. Dezember 2015 war es dann soweit. Im Kontrollraum fuhr die Betriebsmannschaft das Magnetfeld hoch und startete die computergeregelte Experiment-Steuerung. Sie speiste rund ein Milligramm Heliumgas in das ausgepumpte Plasmagefäß ein und schaltete die Mikrowellenheizung für einen kurzen 1,3-MW-Puls an. Im Visier der eingebauten Kameras und Messgeräte zeigte sich das erste Plasma in der Maschine (Abbildung 7). Es existierte eine Zehntelsekunde lang und erreichte eine Temperatur von rund einer Million Grad. Für den Betriebsstart hatte man sich für Helium als Arbeitsgas entschieden, weil das Edelgas leichter ionisierbar Abb. 4 Eines der fünf Teilstücke des Außengefäßes von Wendelstein 7-X (Foto: IPP, W. Filser) Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 1/2019 (50) Phys. Unserer Zeit 19

5 ist als das spätere Untersuchungsobjekt Wasserstoff. Denn Wasserstoff bildet Moleküle, die zunächst von den Mikrowellen aufgebrochen werden müssen und dann dazu tendieren, mit der Gefäßwand chemisch zu reagieren. Dies Abb. 5 Das fertiggestellte erste Halbmodul auf dem Weg in den zweiten Vormontagestand (Foto: IPP). Abb. 6 Wendelstein 7-X während der Montage. Vom Zen trum nach außen: das Plasmagefäß, eine der verwundenen Stellaratorspulen (silberfarben), eine ebene Spule (kupfer farben), die Stützstruktur (rechts) und das Außengefäß zusammen mit zahlreichen Kühlleitungen und Stromverteilern (Foto: IPP, W. Filser). wird mit dem chemisch inaktiven Helium vermieden. Daher ist der Plasmaaufbau mit Helium sicherer zu erreichen. Zusätzlich sind die schwereren Heliumionen effizienter bei der Reinigung der Wände, an die sich während der langen Montagezeit Wasser und winzige Schmutzpartikel angelagert hatten. In den folgenden rund 300 Heliumentladungen in Wendelstein 7-X zeigte sich dies deutlich. Je sauberer die Gefäßwand wurde, desto höher stieg die Plasmatemperatur. Außerdem wurden in diesen ersten Entladungen die Mikrowellenheizung und die Datenaufnahme getestet sowie die ersten Messinstrumente zur Untersuchung des Plasmas in Betrieb genommen. Das erste Wasserstoffplasma folgte am 3. Februar 2016 im Rahmen eines Festakts mit zahlreichen Gästen aus Wissenschaft und Politik (Abbildung 8). In den Wochen darauf erreichte die Anlage mit den Plasmaionen eine Temperatur von rund 10 Mio. K, bei den Plasmaelektronen ungefähr 100 Mio. K. Die an der Wandverkleidung gemessenen moderaten Temperaturen sprachen dafür, dass noch keine stationären Verhältnisse erreicht wurden und ein großer Teil der Heizleistung in die Steigerung der Plasmaenergie floss. Die zweite Experimentrunde Mitte März 2016 beendete das Team in Greifswald die Experimente plangemäß und öffnete das Plasmagefäß wieder. Neben neuen Heizungs- und Messapparaturen montierte es über 8000 Wandkacheln sowie zehn Divertormodule aus Grafit im Plasmagefäß (Abbildung 9). Diese sollen die Anlage fit machen für höhere Heizleistung und längere Plasmapulse. Eine besondere Funktion erfüllen dabei die zehn Teilstücke des Divertors: In breiten Streifen an der Wand des Plasmagefäßes folgen seine Kacheln genau der verwundenen Kontur des Plasmarandes. So schützen sie speziell diejenigen Wandbereiche, auf die entweichende Teilchen aus dem Rand des Plasmaringes gezielt gelenkt werden. Zusammen mit unerwünschten Verunreinigungen werden die auftreffenden Teilchen hier neutralisiert und abgepumpt. Der Divertor ist damit ein wichtiges Werkzeug, Reinheit und Dichte des Plasmas zu regeln. Zugleich ist er Teil einer Langzeitstrategie hin zu längeren Plasmaentladungen. Die jetzt eingebauten Grafitplatten des Divertors sind passiv gekühlt und damit robust genug, um mit ihnen erste Erfahrungen zu sammeln, unerwartete Belastungssituationen aufzuspüren und einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu entwickeln. Wirklich lange Pulse werden jedoch erst mit einem wassergekühlten Divertor möglich werden, dessen Einbau nach Ende der zweiten Experimentrunde geplant ist. In späteren Kraftwerken soll der Divertor auch einen Teil der aus der Fusionsreaktion freiwerdenden Wärme in einen Kraftwerkskreislauf einkoppeln, der die elektrischen Generatoren antreibt. Bereits am kleineren Vorgänger Wendelstein 7-AS waren die Ergebnisse der Divertortests ermutigend. Aber erst im 20 Phys. Unserer Zeit 1/2019 (50) Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

6 WENDELSTEIN 7-X FUSIONSFORSCHUNG deutlich größeren Nachfolger Wendelstein 7-X sind die geometrischen Verhältnisse insbesondere das Verhältnis von Divertorfläche zu Plasmavolumen kraftwerksähnlich. Damit lässt sich nun erstmals untersuchen, ob das Divertorkonzept eines optimierten Stellarators funktioniert. Diese Tests werden breiten Raum einnehmen. Dabei wird man sorgfältig prüfen, wie das Plasma zu führen ist und welche Magnetfeldstrukturen, Heiz- und Nachfüllverfahren am erfolgreichsten sind. Mit Start der zweiten Experimentrunde Ende August 2017 begannen die Divertortests. Die ersten Erfahrungen waren vielversprechend. Wie erwartet, gingen die Verunreinigungen im Plasma zurück. Konnte man am Ende der ersten Kampagne Pulsdauern von 6 s erreichen, waren mit der geschützten Wand nun bis zu 26 s lange Entladungen möglich nachdem schrittweise demonstriert worden war, dass die Wärmelasten handhabbar sind. Dabei konnte man bis zu 75 MJ Heizenergie in das Plasma einspeisen, 18 Mal mehr als in der ersten Betriebsrunde ohne Divertor. Die erste Analyse zeigt, dass die beobachteten Divertor-Temperaturen mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmen. Unter Volllastbedingungen zeigte sich bereits die angestrebte Ablösung des Plasmas von den Divertorplatten. Vor TOKAMAK UND STELLARATOR Im Laufe der Entwicklung haben sich für Fusionsanlagen zwei verschiedene Bauweisen durchgesetzt: Tokamak und Stellarator [6, 7]. Weltweit sind die meisten Anlagen heute vom Typ Tokamak. Er ist am besten untersucht und kommt am nächsten an die Zündbedingungen heran. ansteigenden Strom in seiner Primärwicklung führen und damit einen Strom im Plasma erzeugen. Die Pulsdauer hängt vom Transformator ab, bei Iter ist eine Viertelstunde vorgesehen. Um in einem späteren Tokamak-Kraftwerk Dauerbetrieb zu erreichen, werden jedoch Methoden untersucht, den Strom kontinuierlich zum Beispiel durch Hochfrequenzwellen zu treiben. Spulensystem und Magnetfeld im Stellarator (Grafik: IPP). Spulensystem und Magnetfeld im Tokamak (Grafik: IPP). Ein Tokamak benötigt zum Aufbau des Magnetkäfigs drei sich überlagernde Magnetfelder. Das erste ist ein ringförmiges Feld, das durch ebene äußere Spulen erzeugt wird. Das zweite ist das Feld eines im Plasma fließenden Stroms, das von einer Transformatorspule im Zentrum der Anlage erzeugt wird. In dem kombinierten Feld laufen die Feld linien dann schraubenförmig um. So wird die zum Einschluss des Plasmas nötige Verdrillung der Feldlinien und der Aufbau magnetischer Flächen erreicht. Ein drittes, vertikales Zusatzfeld erzeugt durch die Vertikalfeldspulen fixiert die Lage des Stromes im Plasma und formt den Plasmarand. Weil der Plasmastrom normalerweise durch eine Transformatorspule induziert wird, arbeitet ein Tokamak nicht kontinuierlich, sondern gepulst. Schließlich kann ein Transformator nur für eine beschränkte Zeit einen permanent Fusionsanlagen vom Stellaratortyp können hingegen von vornherein im Dauerbetrieb arbeiten. Der magnetische Käfig wird durch ein Spulensystem gänzlich von außen erzeugt, also ohne einen Längsstrom im Plasma und damit ohne Transformator. Daher fallen alle mit dem Plasmastrom der Tokamaks verbundenen Unannehmlichkeiten weg: Apparaturen zum Herstellen und Kontrollieren des Stroms werden nicht benötigt, Stromabbrüche können nicht auftreten, und das Plasma liegt ohne Lageregelung stabil. Mit dem Verzicht auf den ringförmigen Plasmastrom wird allerdings auch die bei den Tokamaks vorhandene Axialsymmetrie aufgegeben. Da die schraubenförmige Verdrillung der Feldlinien ausschließlich durch äußere Spulen erreicht wird, müssen diese Spulen entsprechend verwunden sein: Magnetspulen und Plasma besitzen eine kompliziertere Form Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 1/2019 (50) Phys. Unserer Zeit 21

7 Abb. 7 Das erste Plasma in Wendelstein 7-X. Es bestand aus Helium und erreichte eine Temperatur von 1 Mio. K (Foto: IPP). Abb. 8 Das erste Wasserstoffplasma in Wendelstein 7-X am 3. Februar Es existierte eine Viertelsekunde und erreichte bei moderater Plasmadichte eine Temperatur von rund 80 Mio. K (Foto: IPP/Wigner RCP). ihnen bildet sich ein stabiles Polster aus kaltem Plasma, Teilchen und Wärme aus dem heißen Plasmazentrum können die Platten nicht mehr direkt erreichen. Die Energie wird stattdessen von dem kalten Divertorplasma auf sanfte Weise als Licht abgestrahlt und gleichmäßig auf größere Wandbereiche verteilt. Die Leistungseinträge auf die zehn Divertorstreifen konnten so auf ein Zehntel reduziert werden eine wichtige Voraussetzung für die später in Wendelstein 7-X geplanten 30-Minuten-Plasmen. Mit dem neuen Divertor konnte nun auch die Heizleistung erhöht werden, eine Bedingung für hohe Plasmadichte. Bis zu 1, Teilchen pro Kubikmeter wurden im Plasmazentrum erreicht mehr als das Vierfache im Vergleich zur ersten Kampagne. Dies hat bedeutende Konsequenzen, denn erst bei genügender Dichte des Plasmas können Elektronen und Ionen effektiv Energie austauschen. Zuvor hatte die Mikrowellenheizung fast ausschließlich die Elektronen geheizt. Statt 100 Millionen Kelvin heißer Elektronen und kalter Ionen wie bisher haben in den neuen Plasmen Elektronen und Ionen fast gleiche Temperatur bis zu 44 Millionen Kelvin. Bei diesen High-Performance-Entladungen liefert die Mikrowellenheizung bis zu 5 MW Heizleistung, und das Einschießen von sogenannten Pellets, Kügelchen aus Wasserstoffeis, füllt den Wasserstoffvorrat auf. Mit der erhöhten Dichte sollte auch die Wärmeisolation des Plasmas steigen ein wichtiger Wert für ein späteres Kraftwerk, weil er die Größe der Anlage und damit die Wirtschaftlichkeit bestimmt. War die Wärmeisolation bislang, bezogen auf die Anlagengröße, nur oberer Durchschnitt, sollte sich nun die Wirkung der Wendelstein 7-X zugrundeliegenden Optimierung zeigen können. Die unter den bisherigen experimentellen Bedingungen gefundenen Energieeinschlusszeiten die Zeit, in der das Plasma nach Stopp der Heizung abkühlen würde liegen mit 200 bis 300 ms im oberen Bereich der erwarteten Werte. Damit konnte die Anlage 2018 einen Rekordwert für das sogenannte Fusionsprodukt aufstellen. Dieses Produkt aus Ionentemperatur, Plasmadichte und Energieeinschlusszeit gibt an, wie nahe man den Reaktorwerten für ein brennendes Plasma kommt. Bei 40 Mio. K Plasmatemperatur und einer Dichte von 0, Teilchen erzielte Wendelstein 7-X ein Fusionsprodukt von Ks/m 3 Stellarator-Weltrekord. Die hohe Plasmadichte erlaubte es, weitere Punkte der Stellarator-Optimierung zu untersuchen. Dazu gehörte die Beschränkung der internen Plasmaströme. Diese Bootstrap- Ströme sollten in einem optimierten Magnetfeld ausreichend klein sein. Werte unter zehn Kiloampere, wie sie die bisherigen Untersuchungen ergaben, sind bereits eine erste Bestätigung dafür, dass die Stromvermeidung in Wendelstein 7-X funktioniert. Zum Vergleich: Der in einem Tokamak induzierte Plasmastrom, der einen Teil des magnetischen Käfigs erzeugt, ist ungleich höher 2 MA beträgt die Stromstärke in der IPP-Anlage ASDEX Upgrade, 15 MA sind bei Iter vorgesehen. Ähnlich günstig sehen auch die ersten Ergebnisse zur Turbulenz im Plasma aus, die man mit neu hinzugekommenen Messinstrumenten beobachten konnte. Die kleinen Wirbel beeinflussen, wie gut der magnetische Einschluss und die Wärmeisolation des heißen Plasmas gelingt. Es wird aber noch einige Zeit dauern, bis man weiß, ob die vielversprechenden Vorhersagen der Theorie für einen vollständig optimierten Stellarator [5] richtig sind. Wendelstein 7-X ging als nationales und europäisches Projekt an den Start. Inzwischen hat es weltweite Aufmerksamkeit gewonnen und Beziehungen zu zahlreichen internationalen Kooperationspartnern geknüpft. Zum Wendelstein-Team gehören mittlerweile neben 150 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des IPP gut 60 Forscher aus 22 Phys. Unserer Zeit 1/2019 (50) Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

8 WENDELSTEIN 7-X FUSIONSFORSCHUNG den Laboratorien des Europäischen Fusionsforschungsprogramms Eurofusion, aus den USA, Japan und Australien. Ab November 2018 sind stufenweise weitere Ausbauten geplant. Dann sollen vor allem die Grafitkacheln des jetzigen Testdivertors durch kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoff-Elemente ersetzt werden, die zusätzlich wassergekühlt sind. Sie sollen in einigen Jahren die angestrebten, bis zu dreißig Minuten andauernden Entladungen ermöglichen. Damit wird überprüfbar, ob Wendelstein 7-X auch dauerhaft seine Optimierungsziele erfüllt. Zusammenfassung Ende 2015 haben die Experimente an Wendelstein 7-X begonnen, der weltweit größten Fusionsanlage vom Stellarator- Typ. Wendelstein 7-X soll die Kraftwerkstauglichkeit dieses alternativen Konzepts demonstrieren. Ein verbessertes Magnetfeld soll die Schwierigkeiten früherer Stellaratoren überwinden, die Qualität von Plasmagleichgewicht und -einschluss soll der eines Tokamak ebenbürtig werden. Nach stufenweisen Ausbauten soll Wendelstein 7-X mit Entladungen bis zu dreißig Minuten Länge die wesentliche Eigenschaft der Stellaratoren vorführen, den Dauerbetrieb. Stichwörter Wendelstein 7-X, klassischer Stellarator, Advanced Stellarator, Tokamak, ASDEX Upgrade, JET, Iter, Plasmaeinschluss, Dauerbetrieb. WENDELSTEIN 7-X VIRTUELL BESUCHEN Abb. 9 Blick in das mit Grafitkacheln verkleidete Plasma gefäß (Foto: IPP, J. M. Hosan). Literatur [1] S. Gori, W. Lotz, J. Nührenberg, Quasi-isodynamic stellarators, in: Theory of Fusion Plasmas. Proceedings of the Joint Varenna- Lausanne International Workshop, (Hrsg.: J. W. Connor, E. Sindoni, J. Vaclavik), Società Italiana di Fisica, Bologna 1997, 335. [2] G. Grieger et al., Phys. Fluids B 1992, 4(7), [3] T. Klinger et al., Towards assembly completion and preparation of experimental campaigns of Wendelstein 7-X in the perspective of a path to a stellarator fusion power plant; In: Fusion Engineering and Design 88, (Hrsg.: O. Neubauer et al.), Elsevier, Amsterdam 2013, S. 461, [4] Th. Sunn Pedersen et al., Nat. Commun. 2016, 7, [5] P. Xanthopoulos et al.; Phys. Rev. Lett. 2014, 113, [6] I. Milch, Phys. Unserer Zeit 2006, 37(4), 170. [7] S. Günter, K. Lackner, Phys. Unserer Zeit 2007, 38(3), 134. Die Autorin Isabella Milch war nach dem Studium der Physik und Germanistik als Wissenschaftsjournalistin tätig. Heute leitet sie die Abteilung für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Garching und Greifswald. Anschrift Isabella Milch, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Postfach 1322, Garching, Deutschland. milch@ipp.mpg.de Im Plasmagefäß von Wendelstein 7-X (Foto: IPP, V. Steger). Mitten hinein in die Plasmakammer von Wendelstein 7-X führt ein 360 -Panorama ( Es bringt den Betrachter in das Herz der Anlage (Abbildung). Auch durch die Experimenthalle kann man streifen oder die Anlagen besuchen, die das Plasma auf viele Millionen Grad aufheizen. Via PC, Tablet oder Smartphone kann man den Blick in alle Winkel werfen und sich bis an kleinste Details heranzoomen. Kurze Videos, in denen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des IPP ihren Arbeitsplatz erklären, starten und stoppen per Mausklick; einblendbare Infotafeln erläutern wichtige Bauteile Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 1/2019 (50) Phys. Unserer Zeit 23