- Die Fusionsforschungsanlage Wendelstein 7-X in Greifswald hat nach der Wiederinbetriebnahme im Herbst 2022 die für 2023 gesetzte Marke von 1 Gigajoule übertroffen und eine Energieumwandlung von 1,3 Gigajoule erreicht
- Der am 15. Februar 2023 gemessene Wert liegt beim 17-Fachen des Höchstwerts vor dem Umbau von 75 Megajoule und zeigt die Wirkung der abgeschlossenen Ausbauarbeiten
- Die Energieumwandlung ist das Produkt aus der an das Plasma gekoppelten Heizleistung und der Dauer der Entladung; im aktuellen Experiment wurde das Plasma bei durchschnittlich 2,7 Megawatt 480 Sekunden lang aufrechterhalten
- Durch die Wasserkühlung der Wandelemente und das Upgrade des Heizsystems im Zuge der dreijährigen Ausbauarbeiten kann nun doppelt so viel Leistung wie zuvor an das Plasma gekoppelt werden
- Das nächste Ziel ist, den Wert in den kommenden Jahren auf 18 Gigajoule zu steigern und das Plasma 30 Minuten lang stabil zu halten
1,3 Gigajoule und Rekordentladung von 8 Minuten
- Wendelstein 7-X hat die für 2023 gesetzte Marke von 1 Gigajoule Energieumwandlung übertroffen und 1,3 Gigajoule erreicht
- Im Experiment vom 15. Februar 2023 wurde damit ein Wert erzielt, der 17-mal höher ist als der bisherige Rekord vor dem Umbau von 75 Megajoule
- Die Energieumwandlung wird berechnet, indem die an das Plasma gekoppelte Heizleistung mit der Dauer der Entladung multipliziert wird
- Für den Betrieb eines Kraftwerks muss über lange Zeit eine große Energiemenge an das Plasma gekoppelt werden, während die entstehende Wärme gleichzeitig abgeführt werden kann
Wassergekühlte Wände und Upgrade des Heizsystems
- Wendelstein 7-X durchlief bis zum Sommer 2022 dreijährige Ausbauarbeiten
- Die wichtigsten Änderungen waren die Wasserkühlung der Wandelemente und das Upgrade des Heizsystems
- Das modernisierte Heizsystem kann doppelt so viel Leistung wie zuvor an das Plasma koppeln
- Nach Abschluss des Ausbaus kann Wendelstein 7-X in einem breiteren Parameterbereich betrieben werden
- Thomas Klinger vom IPP erklärte, man müsse schrittweise zu höheren Energiewerten vorgehen, ohne die Anlage zu überlasten oder zu beschädigen
Divertor-Struktur zur Wärmeabfuhr
- Wendelstein 7-X verwendet besonders hitzebeständige Divertor-Prallplatten, um die größten Wärmeströme abzuführen
- Diese Prallplatten sind Teil der Innenwand und werden seit Abschluss des Ausbaus durch ein 6,8 km langes Wasserrohrsystem gekühlt
- Unter den heutigen Fusionsanlagen weltweit gibt es keine andere Einrichtung, bei der die gesamte Innenwand so umfassend gekühlt wird wie bei Wendelstein 7-X
- Infrarotbilder zeigen nicht das Plasma selbst, sondern die Temperaturverteilung der wassergekühlten Divertor-Prallplatten
- Die Linie im zentralen Bereich, in dem das Plasma den Divertor berührt, erscheint als strike line
- Einige Bereiche erreichen bis zu 600 Grad Celsius
- Die Divertor-Kacheln halten bis zu 1200 Grad Celsius stand
Heizbedingungen für die 480-Sekunden-Entladung
- Die Plasmaheizung von Wendelstein 7-X besteht aus drei Komponenten
- die neu installierte Ionenheizung
- Heizung durch Neutralteilcheninjektion
- Elektronen-Mikrowellenheizung
- Bei diesem Rekord spielte insbesondere das Elektronen-Mikrowellenheizsystem eine wichtige Rolle
- Dieses System kann über mehrere Minuten hohe Leistung liefern
- Die Energieumwandlung von 1,3 Gigajoule wurde mit einer durchschnittlichen Heizleistung von 2,7 Megawatt erreicht
- Die Plasmaentladung dauerte 480 Sekunden, also 8 Minuten
- Das ist ein neuer Rekord für die Entladungsdauer von Wendelstein 7-X
- Auch weltweit zählt dieser Wert zu den besten
- Vor den Ausbauarbeiten lag die maximale Plasmadauer von Wendelstein 7-X bei deutlich geringerer Heizleistung bei 100 Sekunden
Ziel von 18 Gigajoule und Stellarator-Forschung
- Wendelstein 7-X will die Energieumwandlung in den kommenden Jahren auf 18 Gigajoule steigern
- Dafür muss das Plasma 30 Minuten lang stabil gehalten werden
- Die Fusionsforschung zielt auf die Entwicklung klima- und umweltfreundlicher Kraftwerke und verfolgt wie die Sonne die Erzeugung von Energie durch Fusion von Atomkernen
- Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik erforscht den Weg der magnetischen Kernfusion
- Fusionsreaktionen zünden erst bei mehr als 100 Millionen Grad Celsius
- Der dünne Wasserstoff-Plasmabrennstoff darf die kalten Wände des Behälters nicht berühren
- Das im Magnetfeld eingefangene Plasma schwebt im Vakuumgefäß nahezu berührungslos
- Der Magnetfeldkäfig von Wendelstein 7-X besteht aus einem Ring aus 50 supraleitenden Magnetspulen
- Die Anlage ist vom Typ Stellarator; die spezielle Form der Spulen ist das Ergebnis aufwendiger Optimierungsrechnungen
- Mit diesen Spulen soll die Qualität des Plasmaeinschlusses im Stellarator das Niveau der konkurrierenden Tokamak-Anlagen erreichen
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Ah, Wendelstein war also dieser Stellarator-Fusionsreaktor. Stellaratoren sind ein wirklich cooles Design und eine Alternative zum Tokamak.
Ein Tokamak ist ein donutförmiger Reaktor, hat aber das Problem, dass das Plasma am äußeren Rand magnetisch schlechter eingeschlossen wird. Ein Stellarator ist ähnlich, schließt das Plasma aber wie ein Band ein und faltet es in einer Anordnung wie ein Möbiusband nach oben.
Früher war ich ziemlich an diesem Gebiet interessiert, habe es aber über die Jahre aus den Augen verloren. Schön zu sehen, dass es tatsächlich funktioniert.
https://en.wikipedia.org/wiki/Stellarator
Ich erinnere mich noch an den Moment, als ich Radianten gut genug verstanden hatte, um Kreise und Wellenformen wirklich zu begreifen. Jahrelang hatte ich nur Aufgaben gelöst, ohne zu wissen, was ich da eigentlich tat; als es dann plötzlich klick machte, fühlte es sich an, als hätte sich in meinem Kopf etwas verändert.
Ich würde gern wie ein Möbiusband denken, aber mein Gehirn sagt im Moment eher: „Nein danke“.
Noch interessanter ist, dass der Fusor, das wohl einfachste mögliche Design für einen thermonuklearen Reaktor, anscheinend erst nach Stellarator und Tokamak erfunden wurde. Er ist so simpel, dass man ihn mit guten Elektrotechnikkenntnissen und geeigneter ziviler Ausrüstung vergleichsweise leicht bauen kann.
Persönlich mochte ich das Stellarator-Design allerdings nie besonders. Seine Komplexität fühlt sich subtil so an, als würde man in die falsche Richtung noch weiter treiben.
Trotzdem hoffe ich in diesem Fall aufrichtig, dass ich mich irre. Dieses Feld braucht schon seit Langem einen großen Durchbruch.
Der Stellarator ist theoretisch ein dem Tokamak überlegenes Design, das darauf ausgelegt ist, die J×B-Kraft aufzuheben. Dabei ist J der Strom, der durch das Plasma fließt, und B das Magnetfeld, das das Plasma in der Anlage führt.
Wenn man das Plasma in eine Helix verdreht, bei der die Rotation von B, also ein zu J proportionaler Wert, parallel zu B wird, wird das Kreuzprodukt null, und es wirkt somit keine resultierende magnetohydrodynamische Kraft auf das Plasma.
Die Toleranzen waren zu eng, und es gelang mehrfach nicht, die Teile innerhalb der Einschränkungen passend zu bekommen.
Ich habe mich gefragt, was hier mit energy turnover gemeint ist.
Beim Nachsehen fand ich: „Energy turnover is defined as the amount of heat multiplied by the duration of the discharge[1].“ Mit „amount of heat“ ist hier vermutlich die „dem Plasma zugeführte Heizleistung“ gemeint. Damit beim Multiplizieren mit der Zeit Joule herauskommen, muss der Ausgangswert schließlich eine Leistung sein.
1: https://gigazine.net/gsc_news/en/20230227-wendelstein-7-x-en...
Die Zahlen lauten: „Mit einer durchschnittlichen Heizleistung von 2,7 Megawatt wurde die Entladung 480 Sekunden lang aufrechterhalten und ein energy turnover von 1,3 Gigajoule erreicht.“
Außerdem heißt es, man plane, „den energy turnover von Wendelstein 7-X in den nächsten Jahren auf 18 Gigajoule zu erhöhen und das Plasma 30 Minuten lang stabil zu halten“. Das entspricht also 10 Megawatt über 30 Minuten.
Vielleicht ist es eine naheliegende Frage, aber ich möchte sie trotzdem stellen: Wie wird der hier erzeugte Strom in nutzbare Elektrizität umgewandelt?
Ich weiß, dass in einem normalen Kernspaltungsreaktor die Wärme der Kernspaltung eine Dampfturbine antreibt. Aber wenn das Plasma extrem heiß ist und durch Magnetfelder in der Schwebe gehalten werden muss, damit es die Wände des Einschlussbehälters nicht berührt: Wie überträgt man diese Wärme dann auf ein anderes Medium, um Strom zu erzeugen?
Der größte Teil der Reaktionsenergie wird von hochenergetischen Neutronen getragen. Um die Energie zurückzugewinnen, muss man diese Neutronen also „einfangen“. Neutronen haben keine Ladung und können daher nicht direkt Strom erzeugen; letztlich bleibt nur, sie als Wärme zu nutzen.
Das Problem ist, dass sie elektrisch neutral sind und sich deshalb relativ schwer einfangen lassen. Man braucht ein dichtes Material, in dem die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass sie mit Atomkernen kollidieren. Vorgeschlagene Designs sehen meist ein Flüssigmetall-Blanket vor, das um den Reaktor zirkuliert und dann an eine Stelle geleitet wird, an der Wasser zum Kochen gebracht wird, um Dampf zu erzeugen und eine Turbine anzutreiben.
Das am häufigsten diskutierte Metall ist Lithium, das den zusätzlichen Vorteil hat, bei Neutronenbeschuss Tritium erzeugen zu können. Tritium ist die sehr seltene Hälfte des Reaktionsbrennstoffs.
Wer Deutsch kann, dem empfehle ich die Folgen des Podcasts Alternativlos, in denen die Moderatoren zweimal vor Ort waren und ausführlich mit den Forschern gesprochen haben. Es fühlt sich an wie Nerds, die miteinander reden; wenn man die Sprache versteht, ist das wirklich unterhaltsam.
https://alternativlos.org/36/ (2016)
https://alternativlos.org/51/ (die neueste, Mai 2023)
Diese Anlage ist nicht speziell dafür ausgelegt, und soweit ich weiß, gibt es eine solche Anlage noch nicht. Aus ingenieurtechnischer Sicht ist das ein vergleichsweise einfaches Problem, und solange man Fusion nicht über Monate aufrechterhalten kann, gibt es kaum einen Grund, so etwas zu bauen.
Der Ansatz, den Helion Energy entwickelt, ist allerdings eines der vielversprechenden Fusionskonzepte, das diesen gesamten Prozess nicht benötigt. Sie haben noch keine Nettoleistung erzeugt, aber die Idee hat Potenzial und vermeidet einige der üblichen Probleme anderer Fusionskraftwerkskonzepte. Ich sehe darin nicht die endgültige Antwort für das Feld, aber es könnte durchaus als Übergang zwischen großen Stellaratoren und Kernspaltung dienen.
Soweit ich weiß, ist Wendelstein allerdings nicht für die Stromerzeugung ausgelegt; die Kühlung ist derzeit also buchstäblich nur Kühlung.
Ich mag dieses Team wirklich. Im Rahmen ihres Plans, Fusionsströmungen vollständig zu charakterisieren und zu kontrollieren, arbeiten sie sich ingenieurtechnisch durch eine Herausforderung nach der anderen.
Im Rennen um ein funktionierendes Fusionskraftwerk wirken sie manchmal wie die Schildkröte, aber sie beantworten Fragen, die die Tokamak-Seite noch nicht gelöst hat, etwa das Management der Wandtemperaturen und die Aufrechterhaltung der Fusion in der Strömung[1]. Allerdings liegt meine eigene Vorliebe in Forschung und Entwicklung deutlich näher am „E“-Teil; wenn ich ITER verfolge, fühlt es sich oft wie reine „Forschung“ an.
[1] https://www.iter.org/of-interest/1188
Wo wir gerade über Fusion sprechen: Weiß jemand, wie es bei SPARC von Commonwealth Fusion Systems läuft?
Ich hatte große Hoffnungen in ihr System gesetzt, verstehe aber, dass sie nach einer Investition von 2 Milliarden Dollar in einen tiefen Entwicklungs- und Bauzyklus eingetreten sind. Deshalb gab es auf ihrer News-Seite im letzten Jahr auch nur Geschäftspartnerschaften und Preis-Updates. Ich würde gerne hören, wie der Bau des Reaktors vorankommt.
Im Grunde sind sie sehr beschäftigt, aber ich denke, es wird trotzdem mindestens noch 3 bis 5 Jahre dauern.
Ich verfolge dieses Projekt seit 10 Jahren und halte es für erfolgreich. Aber wie könnten solche Projekte schneller vorankommen?
Wendelstein 7-X wird keinen nutzbaren Strom erzeugen; die Anlage wurde als Vorstufe zu einem Reaktor für die Stromerzeugung gebaut.
Die Spulen haben sehr unregelmäßige Formen und enge Toleranzen, was sie schwer herzustellen macht; die Montage des Vakuumgefäßes ist schwierig, weil die Spulen einen viel größeren Anteil der „torusähnlichen“ Oberfläche abdecken als bei einem Tokamak.
Im Bereich der Stellarator-Designoptimierung läuft derzeit viel spannende Arbeit, aber bis diese Forschung als realer Reaktor umgesetzt ist, wird es vermutlich noch lange dauern.
In dieses Feld müsste mehr Geld fließen, aber irgendwann muss man die Dinge eben bauen, und das dauert für sich genommen enorm lange. Regulierung und Bürokratie könnten verbessert werden, aber letztlich gibt es nicht viel Zeit, die man sicher einsparen kann.
Sobald es ein funktionierendes Modell gibt, werden Iterationen viel schneller, aber wir laufen seit Jahrzehnten gegen eine Wand.
Leider sind Maschinen, deren Bau sich lohnt, also Anlagen in einer für Generatoren relevanten Größenordnung, nicht klein. Übung hilft.
Für Deutschsprachige gibt es eine passende Empfehlung:
Der Podcast Alternativlos von Felix Von Leitner und Frank Rieger war zweimal in Greifswald und hat Verantwortliche von Wendelstein interviewt. Die erste Folge (http://alternativlos.org/36 , 2016) konzentrierte sich vor allem auf Entwicklung, Bau und Geschichte, die zweite Folge aus diesem Jahr behandelt die Ergebnisse und die Zukunft der Kernfusion (http://alternativlos.org/51/)
Ich würde gern Leute fragen, die sich in diesem Bereich gut auskennen: Welche Kernfusions-Startups wirken vielversprechend? Wie seht ihr Trägheitseinschluss? Was ist mit dem neu finanzierten Blue Laser Fusion? Dem alten Player TAE? Commonwealth, Helion und den anderen?
https://www.neimagazine.com/news/newszap-energy-considers-re...
Und ihr Konzept selbst ist so seltsam, dass es mir gefällt. Im schlimmsten Fall könnte es im All vielleicht als Fusionsantrieb funktionieren :)
Meine Vermutung ist, dass die meisten ohne staatliche Finanzierung wahrscheinlich scheitern werden. Es sei denn, sie haben wie durch ein Wunder wirklich eine besonders kostengünstige Betriebsweise gefunden, die schon beim ersten Versuch die heutigen hochoptimierten Stromerzeugungslösungen schlägt.
Insgesamt wirkt Tokamak Energy ebenfalls vielversprechend, und ich plane, dort zu investieren.
Erstens: Selbst wenn traditionellere Fusionskraftwerke das Plasma selbst in einer nicht allzu teuren Anlage erzeugen können — was bereits eine große Annahme ist —, dürfte der Wärmetauschmechanismus selbst sehr komplex und teuer sein. Und weil es ein Wärmekraftwerk ist, gibt es auch Einschränkungen bei den möglichen Standorten und der wirtschaftlichen Größenordnung.
Zweitens: Wenn die CO2-Emissionen sinken, dürfte auch der Beitrag von Wärmekraftwerken zur Erderwärmung stärker in den Fokus rücken. Auch Helion fügt der Erde zusätzliche Wärme hinzu, die vorher nicht da war, aber pro gleicher elektrischer Energiemenge dürfte weniger Wärme entstehen. Außerdem ist es nicht darauf angewiesen, die gesamte Wärme in einen Fluss abzugeben.
Ich weiß nicht, ob Helion realisierbar ist, aber es fühlt sich wie die einzige Technologie an, die realisierbar sein könnte.
Der Bau eines Fusionskraftwerks dürfte deutlich teurer sein als der eines Spaltungskraftwerks ähnlicher Leistung, und selbst Kernspaltung ist bereits nicht mehr wettbewerbsfähig und fällt von Tag zu Tag weiter zurück. Man sollte ernsthaft über Anwendungen für stabil eingeschlossenes Plasma nachdenken, das keine Fusion durchführt. Der Vorteil ist, dass es nicht unbedingt besonders heiß sein muss. Mit dem, was wir heute haben, ist es für einige plausible Anwendungen bereits heiß genug.
„Neuer Rekord bei der Entladungsdauer von Wendelstein 7-X: Heißes Plasma konnte 8 Minuten lang aufrechterhalten werden“ ist zweifellos ein Meilenstein.
Allerdings sollte man beachten, dass derzeit das Heizsystem getestet wird. Das bedeutet nicht, dass tatsächlich eine Fusionsreaktion stattgefunden hat.