Nach einer einjährigen Wartungs­phase nimmt der weltweit größte und leistungsfähigste Stellarator den Experiment­betrieb deutlich verbessert wieder auf. Eines der Ziele: Die Plasma­temperatur soll Schritt für Schritt gesteigert werden.

Abb. 1: Torushalle Wendelstein 7-X, 2021
Foto: MPI für Plasmaphysik, Jan Hosan

Nachdem Wendelstein 7-X im Februar 2023 ein Rekord­plasma erzeugt hatte (8 Minuten Dauer bei 1,3 Gigajoule Energie­abfuhr), wurde der Stellarator am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifs­wald planmäßig herunter­gefahren. Seitdem hat das Wendelstein-7-X-Team die Maschine umfassend gewartet und um neue Aspekte erweitert.

Wendelstein 7-X startete am 10. September 2024 deutlich optimiert in die neue Experiment­phase OP2.2. Es wurden zahllose Erweiterungen, Verbesserungen und Reparaturen am Wendelstein 7-X selbst, der Steuerung und Daten­akquisition, den Heizsystemen und den knapp 50 verschiedenen Plasma­diagnostiken vorgenommen. Ein wichtiges Ziel dabei war die deutliche Verbesserung der Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Systeme, wozu eine systematische Ausfall­analyse (Failure Mode Analysis) durchgeführt wurde. Darüber hinaus wurden auch die wissen­schaft­lichen Möglichkeiten aller Systeme wesentlich erweitert und wichtige neue Beobachtungs­instrumente hinzugefügt.

Zwei der wichtigsten Erweiterungen:

1. Es steht jetzt ein zusätzliches Heizungs­modul (Gyrotron), zur Verfügung, das deutlich mehr als 1 Megawatt Leistung über Mikro­wellen ins Plasma koppeln kann. Diese Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Heizung (ECRH) strahlt Mikro­wellen mit genau der Frequenz in das Plasma, mit der die Elektronen im Plasma auf Schrauben­bahnen um die Magnetfeld­linien zirkulieren. Bisher hatte Wendelstein 7-X zehn solcher Module, deren Leistung über mehrere Minuten Betrieb jeweils meist unterhalb von 1 Megawatt lag. In Summe waren 7,5 Megawatt über mehrere Minuten möglich. Das neue Modul soll in der Spitze bis zu 1,5 Megawatt liefern können. Für kommende Betriebs­phasen sollen schritt­weise 12 solcher Gyrotrons zur Verfügung stehen. Damit wird sich die maximale ECRH-Leistung deutlich erhöhen. Die ECRH ist im Langpuls­betrieb der effizienteste und wichtigste Heizungstyp. Das neue ECRH-Modul wurde vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und von der französischen Firma Thales entwickelt. Es ist wohl das am weitesten entwickelte Gyrotron weltweit. Zusätzlich stehen dem W7-X-Team noch die neue Ionen-Zyklotron-Heizung (ICRH) und die verbesserte Neutral­teilchen-Injektions-Heizung (NBI) zur Verfügung.


2. Erstmals wird auch der neue Dauerbetrieb-Pellet-Injektor eingesetzt. Er wurde am Oak Ridge National Laboratory, einem Forschungs­zentrum des US-Energie­ministeriums (DOE), speziell für Wendelstein 7-X gebaut und ist in seiner Kategorie Weltspitze. Er dient dazu, den Nachschub an Wasserstoff­teilchen ins Plasma sicherzustellen – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem Kernfusions-Kraftwerk. Der Pellet-Injektor erzeugt lange Stangen aus gefrorenem Wasser­stoff, aus denen in Abständen von Sekunden­bruchteilen winzige Segmente (Pellets) abgeschnitten werden, um sie wie in einem Blasrohr mit großem Druck ins Plasma zu schießen.

Ziele der neuen Experimentkampagne

Im umfangreichen wissenschaftlichen Programm der neuen Messphasen OP2.2 und OP2.3 geht es vorrangig darum, die Leistungs­parameter für die erzeugten Plasmen schrittweise zu erhöhen. In der letzten Messphase OP2.1 gelang es, die Ionen im Plasma kurzzeitig auf etwa 35 Millionen Grad Celsius zu heizen (Plasmaphysiker drücken es in der Größe 3 Kilo­elektronen­volt aus) und die Wärme­energie sowie die Teilchen kontrolliert über den Divertor (das hitzebeständigste Bauteil) abzuführen. Künftig soll das über Zeiträume von mehreren Minuten bei höheren Plasma­temperaturen möglich sein. „Wir nähern uns Schritt für Schritt höheren Heizleistungen an”, sagt IPP-Direktor Prof. Thomas Klinger. „Einerseits geht es darum, die Belastungs­grenzen von Wärme­lasten auf die Graphitwände von Wendelstein 7-X vorsichtig auszutesten. Anderer­seits wollen wir turbulenz­gesteuerte Transport­prozesse im Plasma und die Abfuhr von Wärme und Teilchen verstehen.”

Anders als in der letzten Experiment­phase strebt das Wendelstein 7-X-Team diesmal keine neuen Rekorde bei der Plasma­dauer an, allerdings beim Energie­umsatz, d. h. der Gleich­zeitigkeit von Plasma­dauer und hoher Heizleistung. „Es wäre möglich, aber wissen­schaftlich von geringem Wert, jetzt lange Plasma­pulse bei geringen Leistungs­werten zu erzeugen”, erklärt Professor Klinger.  Die Kunst ist, lange Pulse bei hohen Plasma­temperaturen zu schaffen. Und daran arbeiten wir gerade.”

Der derzeitige Zeitplan für die nächsten Experiment­phasen von Wendelstein 7-X:

OP2.2: September 2024 – Dezember 2024

OP2.3: Februar 2025 – Mai 2025

Wartung: Juni 2025 – August 2026

OP2.4: August 2026 – Dezember 2026

OP2.5: Februar 2027 – Mai 2027

2023 sollte ein Energie­umsatz von 1 Gigajoule erreicht werden. Jetzt schafften die Forschenden sogar 1,3 Gigajoule – und einen neuen Bestwert für die Entladungs­zeit bei Wendelstein 7-X: Das heiße Plasma konnte 8 Minuten lang aufrecht­erhalten werden.

Abb. 1: Experimenthalle mit Wendelstein 7-X in Greifswald. Die Fusionsanlage ist der modernste und größte Stellarator der Welt.
Foto: MPI für Plasmaphysik, Jan Hosan

Bei den dreijährigen Umbauarbeiten, die im Sommer 2023 endeten, wurde Wendelstein 7-X vor allem mit einer Wasser­kühlung der Wandelemente und mit einem erweiterten Heizsystem ausgestattet. Letzteres kann nun doppelt so viel Leistung in das Plasma einkoppeln wie vorher. Seitdem lässt sich das Kernfusions­experiment in neuen Parameter­bereichen betreiben. „Wir tasten uns jetzt an immer höhere Energiewerte heran”, erklärt Prof. Dr. Thomas Klinger, Leiter des Bereichs Stellarator-Dynamik und -Transport am Max-Planck-Institut für Plasma­physik (IPP) in Greifswald. „Dabei müssen wir Schritt für Schritt vorangehen, um die Anlage nicht zu überlasten und zu beschädigen.”

Am 15. Februar 2023 erreichten die Forschenden dabei einen neuen Meilen­stein: Erstmals konnten sie in dieser Anlage einen Energie­umsatz von 1,3 Gigajoule erreichen. Damit steigerten sie den Bestwert aus der Zeit vor dem Umbau (75 Megajoule) gleich um das 17-fache. Der Energie­umsatz ergibt sich aus der eingekoppelten Heizleistung multipliziert mit der Dauer der Entladung. Nur wenn es gelingt, kontinuierlich große Energie­mengen ins Plasma einzukoppeln und die entstehende Wärme wieder abzuführen ist ein Kraftwerks­betrieb möglich.

Die Plasmaentladung dauerte 8 Minuten

Die größten Wärme­flüsse führen bei Wendelstein 7-X über besonders hitze­beständige, sogenannte Divertor-Prallplatten. Sie sind Teil der Innenwand, die seit dem Umbau von einem Netz aus insgesamt 6,8 Kilometer Wasserrohren gekühlt wird. Keine andere Fusions­forschungs­anlage weltweit verfügt heute über eine so umfassend gekühlte Wand. Die Plasma­heizung besteht aus drei Komponenten, nämlich der neu eingebauten Ionen­heizung, der Heizung durch Neutral­teilchen­injektion und der Mikrowellen-Elektronen­heizung. Für den aktuellen Rekord kam es vor allem auf die Elektronen-Mikrowellen­heizung an, weil nur sie in der Lage ist, über Zeiträume von mehreren Minuten große Leistungen einzukoppeln. Der Energie­umsatz von 1,3 Gigajoule wurde mit einer durch­schnittlichen Heizleistung von 2,7 Megawatt erreicht, wobei die Entladung über 480 Sekunden andauerte – auch das ist ein neuer Bestwert für Wendelstein 7-X und einer der besten der Welt. Vor dem Umbau erreichte Wendelstein 7-X maximale Plasma­zeiten von 100 Sekunden bei deutlich geringerer Heizleistung.

Innerhalb weniger Jahre, so der Plan, soll der Energie­umsatz bei Wendelstein 7-X auf 18 Gigajoule gesteigert werden, wobei das Plasma dann für eine halbe Stunde lang stabil gehalten werden soll.

Die deutlich verbesserte Ausstattung der Fusions­anlage soll in wenigen Jahren einen Plasma­betrieb von bis zu 30 Minuten ermöglichen.

Abb. 1: Experimenthalle mit Wendelstein 7-X in Greifswald.
Foto: MPI für Plasmaphysik, Jan Hosan

Drei Jahre lang hatten bei Wendelstein 7-X vor allem Ingenieure und Techniker das Sagen. Es ging darum, das Kernfusions­experiment des Max-Planck-Instituts für Plasma­physik (IPP) am Standort Greifswald auf seine volle Ausbau­stufe zu heben. Wichtigstes neues Element des verbesserten Stellarators ist ein wassergekühlter Divertor (High-Heat-Flux-Divertor). Divertoren sind wichtige Bauteile in Fusions­anlagen, weil sie die vom Plasma getragene Energie­mengen und Teilchen abführen und somit deren ungünstigen Kontakt mit der Gefäßwand sowie die Verunreinigung des Plasmas verhindern. Dafür müssen die Divertor-Prall­platten hohe Temperaturen aushalten. Durch die 120 neuen Divertor-Module mit Kühlsystem kann Wendelstein 7-X nun mit deutlich höheren Plasma­energien betrieben werden. Dafür und für andere Komponenten von Wendelstein 7-X wurden insgesamt 6,8 Kilometer Kühlrohre – unter­schiedlich in Form und Dicke – gefertigt, isoliert, eingepasst und verschweißt. Insgesamt 657 voneinander unabhängige Kühl­kreisläufe führen die Wärme im Wendelstein 7-X ab.

Die künftig möglichen höheren Plasma­energien erzeugen die 3 Heizsysteme mit insgesamt mehr als verdoppelter Leistung:

• Die neue Ionenheizung mit Radio­wellen kann maximal 1,5 Megawatt Leistung einspeisen,
• die Heizleistung der Neutral­teilchen­injektion wurde auf 7 Megawatt verdoppelt und
• die Elektronenheizung mit Mikro­wellen wurde auf 10 Megawatt erweitert.

60 Kilometer Kabel und Schläuche wurden installiert – zusätzlich zu den bereits vorhandenen 280 Kilometern. Zusätzlich wurden 40 Diagnostiken erweitert oder neu installiert, um das Plasma genauer und umfangreicher vermessen zu können.

Vom Herbst 2022 an waren Wissen­schaftler:innen in einem international zusammen­gesetzten Team bestrebt, Wendelstein 7-X zu neuen Höchst­leistungen zu treiben. „Mit der verbesserten Ausstattung wollen wir in wenigen Jahren Hochleistungs-Plasmen mit bis zu 18 Gigajoule Energie­umsatz über eine halbe Stunde stabil halten”, erklärt Prof. Dr. Thomas Klinger, Leiter des Bereichs Stellarator-Dynamik und -Transport am Max-Planck-Institut für Plasma­physik in Greifswald.  Jetzt wird es darum gehen, uns Schritt für Schritt an dieses Ziel heran­zutasten und mehr über den Plasmabetrieb bei höheren Energien zu lernen, ohne die Maschine zu schnell zu stark zu belasten.” Allein für die kommende Experiment­kampagne (OP 2.1), die voraussichtlich bis Ende März 2023 andauern wird, wurden mehrere hundert Experiment­vorschläge eingereicht – von Forschenden aus dem IPP und zahlreichen internationalen Instituten sowie Universitäten aus der EU, den USA und Japan.

„Eine wichtige Aufgabe wird darin bestehen, zu lernen, wie wir die im Plasma ankommende Heizenergie und damit die Plasma­temperaturen steigern können”, sagt Prof. Klinger. Bis zu einem Gigajoule Energie­umsatz ist in dieser Phase geplant (der Energieumsatz ist die eingekoppelte Heizleistung multipliziert mit der Dauer der Entladung). Vor dem Umbau lag der Bestwert bei 75 Megajoule. Der Energie­gehalt, also die Bewegungs­energie aller Plasma­teilchen, konnte damals auf bis zu 1 Megajoule gesteigert werden – das ist der bis heute geltende Weltrekord für Stellaratoren. Es gelangen zudem langlebige Plasmen von 100 Sekunden Dauer bei guten Plasma­kenngräßen.

In früheren Experimenten hatte sich gezeigt, dass zwar das Aufheizen der Elektronen im Plasma sehr erfolgreich war. Sie sollen ihre Energie anschließend an die Ionen weitergeben. Die Ionen erreichten jedoch noch nicht die erwarteten Temperaturen. Im Zusammen­hang damit wird die Erforschung von Turbulenzen, die im Plasma auftreten, wichtig sein. Sie haben in Stellaratoren einer­seits eine wichtige Funktion, weil sie Verunreinigungen im Plasma entfernen. Anderer­seits behindern sie den Energie­transport. Und den wollen die Forschenden in Greifswald in den bevor­stehenden Experimenten deutlich besser verstehen und kontrollieren.

Die nächste Runde des schrittweisen Ausbaus der Fusions­anlage Wendelstein 7-X im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald ist in vollem Gange. Eine wasser­gekühlte Innen­verkleidung des Plasma­gefäßes wird die Anlage tauglich machen für höhere Heizleistung und längere Plasma­pulse. Die Fertigung des Herzstücks der neuen Verkleidung, des sogenannten Divertors, hatte der Garchinger Instituts­teil des IPP übernommen. Die letzte Lieferung nach Greifswald steht kurz bevor.

Ende 2018 wurden die Experimente an Wendelstein 7-X nach zwei erfolgreichen Arbeits­phasen (siehe PI 11/18) vorläufig beendet. Seither läuft der Umbau im Plasmagefäß. „Erst einmal musste das meiste heraus. Jetzt kann der Einbau der neuen Teile beginnen”, sagt Prof. Dr. Hans-Stephan Bosch, dessen Bereich für den technischen Betrieb der Anlage zuständig ist. Während bisher die meisten Wandschutz-Komponenten ungekühlt betrieben wurden, werden ab der nächsten Experiment­runde große Wandpartien wasser­gekühlt sein:  Damit wird Wendelstein 7-X später bis zu 30 Minuten lange Plasma­pulse erzeugen können”, so Professor Bosch.

Herzstück der neuen Wand­verkleidung ist der sogenannte Divertor, die am höchsten beanspruchte Komponente im Plasma­gefäß. In 10 breiten Doppel-Streifen an der inneren Wand des Gefäßes folgen die Divertor-Platten der geschwungenen Kontur des Plasma­randes. Sie schützen genau die Wandbereiche, auf die Teilchen aus dem Rand des Plasmas magnetisch hingelenkt werden. Hinter einem Spalt in der Mitte jedes Doppel­streifens liegt eine Pumpe, die die auftreffenden Plasma- und Verunreinigungs­teilchen entfernt. Auf diese Weise lässt sich mit dem Divertor die Reinheit und Dichte des Plasmas regeln.

Abb. 1: Arbeiten im Plasmagefäß: Die bisherige Verkleidung mit Kohlenstoff-Kacheln ist entfernt; das Gefäß ist bereit für den Einbau des neuen wassergekühlten Wandschutzes. Foto: IPP, Torsten Bräuer

Anspruchsvolle Fertigung

Die neuen wasser­gekühlten Divertor-Platten, die die bisherigen ungekühlten Platten ersetzen, sollen bei den späteren Hoch­leistungs­experimenten einer Belastung bis zu 10 Megawatt pro Quadratmeter standhalten – ähnlich dem Space-Shuttle beim Wieder­eintritt in die Erdatmos­phäre. Ohne Wasser­kühlung könnten die an sich hitzebeständigen Ziegel aus kohlefaser­verstärktem Kohlenstoff dieser Belastung für die geplanten, 30 Minuten langen Plasma­pulse jedoch nicht stand­halten. Deshalb sind sie auf wasser­gekühlte Platten aus einer Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung aufgeschweißt. Das von stählernen Röhrchen zugeführte Kühl­mittel sorgt für den Abtransport der Wärme­energie.

Jeder der 10 gebogenen Divertor-Streifen besteht aus zwölf dieser Platten, die sich wiederum aus Einzel­elementen zusammen­setzen. Insgesamt bestehen diese 890 Elemente aus fast einer halben Million Einzelteilen, von den hitze­beständigen Oberflächen bis zu den Spezial­schrauben.

Die Hochleistungs­bauteile stehen am Ende einer langen Entwicklungs-, Fertigungs- und Prüfarbeit des Integrierten Technik­zentrums (ITZ) und der Arbeits­gruppe „Komponenten im Plasmagefäß” im IPP in Garching in Zusammen­arbeit mit Industrie­betrieben. „Besonders heraus­fordernd war die komplexe Geometrie der Bauteile bei der verlangten hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit”, erklärt IPP-Ingenieur Dr. Jean Boscary, der die Herstellung und das Zusammenfügen des „großen Puzzles” leitete: „Ein Wasser­leck sollte es später in Wendelstein 7-X nicht geben”.

Entsprechend umfangreich waren bereits die Vorarbeiten: 2003 wurde der Entwicklungs- und Fertigungs­vertrag für die Divertor-Elemente mit einem Industrie­betrieb geschlossen. Nach vier Vorserien und mehr als 60 Prototypen konnte 2009 die fünfjährige Serien­produktion beginnen.

Bis zu einem fertigen Divertor-Element waren 82 Herstellungs­schritte und 44 Tests zu durch­laufen. So wurde die Oberfläche jedes einzelnen der 16.000 Kohlenstoff-Ziegel drei­dimensional in Form gefräst – bei Toleranzen von teilweise nur 0,1 Millimeter, damit später keine hervor­stehenden Kanten überhitzen können. Die Verbindungs­technik zwischen Kohlen­stoff und Kupfer­legierung wurde eigens für Wendelstein 7-X entwickelt.

Im IPP in Garching wurden die Divertor-Elemente dann auf stählernen Rahmen zu Platten zusammen­gefügt. Kühlrohre und Kühl­wasser­verteiler wurden mit einer speziellen, im ITZ entwickelten Schweißtechnik verbunden: „Unter den 2000 Schweißnähten konnten die anschließenden Tests gerade mal zwei undichte Nähte entdecken”, sagt Dr. Boscary. Auch sonst lagen zwischen den einzelnen Arbeits­schritten immer wieder qualitäts­sichernde Prüfungen. Zur Produktions­kontrolle wurde zum Beispiel die Belastungs­fähigkeit der Teile im Garchinger Hitze­teststand GLADIS untersucht. Die bei diesem „bislang größten Hitzeschutz­projekt der Fusions­forschung” gewonnene Erfahrung ist denn auch bis jetzt weltweit einmalig, betont Jean Boscary. Inzwischen sind alle 10 Divertor-Streifen fertig­gestellt. Ein großer Teil ist bereits ausgeliefert; der letzte Transport nach Greifswald steht kurz bevor.

Herausfordernde Montage

In Greifswald ist für den Einbau der Hochleistungs­bauteile alles vorbereitet: Insbesondere sind die Rohr­verbindungen in das Plasma­gefäß montiert, insgesamt 4,5 Kilometer. „Inzwischen haben wir damit begonnen, die komplex geformten Wasser­leitungen zu legen, die die letzten 40 Zentimeter zwischen der Gefäßwand und den Divertor-Platten überbrücken”, erklärt Montageleiter Dr. Lutz Wegener. Auf deren Anschlüsse müssen die Platten später genau passen. Obwohl die extrem kniffligen Arbeiten zuvor im Eins-zu-Eins-Modell geübt wurden – „quasi eine doppelte Montage”, so Dr. Wegener – gibt es beim Einbau der 240 Passrohre immer wieder Über­raschungen. Die große Enge zwischen den Bauteilen macht das Schweißen, für das ohnehin eine spezielle Präzisions­technik anzuwenden ist, zu einer Heraus­forderung. Nicht selten wurden nach­träglich Neukonstruktionen und Neufertigungen nötig. Auch viele Schrauben sind in dem engen Raum für Werkzeuge schwer zugänglich und von Fall zu Fall ist eine Lösung zu finden: „Geschweißt oder geschraubt – die Anschlüsse sollten für die nächsten 20 Jahre dicht bleiben”.

Abb. 2: In 10 geschwungenen Doppel­streifen folgen die Divertor-Platten dem verwundenen Plasma. Grafik: IPP

Im Vergleich zu diesen Aufgaben sollte das anschließende Einbauen der Divertor-Teile einfacher sein. „Hierfür haben wir bereits Spezial­werkzeuge – zum Beispiel zum Heben und Bewegen der 70 Kilogramm schweren Platten – entwickelt”, sagt Lutz Wegener. Selbst der Tritt­schutz, auf dem die Monteure im Gefäß über die empfindlichen Divertor- und Wandschutz­kacheln laufen, war ein eigenes Entwicklungs­projekt: Er muss auf engstem Raum sicheren Stand garantieren und an die ungewöhnliche Form des Plasma­gefäßes angepasst sein. Andererseits darf er die Wand­strukturen nicht beschädigen und zu keinen Verunreinigungen führen, die später das Plasma stören könnten.

Voraussichtlich Ende 2021 kann der Plasma­betrieb wieder starten. Geplant ist, zunächst mit geringer Wasser­kühlung, kleiner Heizleistung und kurzen Plasma­pulsen zu beginnen, um nach der langen Experimentier­pause alle Einbauten im Betrieb testen zu können. Mit voller Kühlung sollten danach längere Pulse mit Plasma­energien bis zu 1 Gigajoule möglich werden – ein Wert, an den man sich langsam heran­arbeiten wird. Anstelle der bisher maximal 100 Sekunden langen Pulse mit Heizleistungen von 2 Megawatt und Plasma­energien von 200 Megajoule soll der gekühlte Hochleistungs­divertor später bei voller Heizleistung bis zu 30 Minuten lange Pulse erlauben. Damit kann Wendelstein 7-X dann das wesentliche Plus der Stellaratoren demonstrieren, die Fähigkeit zum Dauer­betrieb.

Höhere Temperaturen und Dichten des Plasmas, längere Pulse und den weltweiten Stellarator-Rekord für das Fusions­produkt hat Wendelstein 7-X in der zurück­liegenden Experimentier­runde erreicht. Zudem fand man erste Bestätigungen für das Wendelstein 7-X zugrunde­liegende Optimierungs­konzept.

Im Unterschied zur ersten Experimentier­runde 2015/16 ist das Plasmagefäß von Wendelstein 7-X seit September 2016 mit einer Innen­verkleidung ausgerüstet. Kacheln aus Grafit bedecken jetzt die Gefäßwände und machen höhere Temperaturen und längere Plasma­entladungen möglich. Mit dem sogenannten Divertor lässt sich darüber hinaus die Reinheit und Dichte des Plasmas regeln: In 10 breiten Streifen an der Wand des Plasma­gefäßes folgen seine Kacheln der verwundenen Kontur des Plasma­randes. So schützen sie speziell die Wand­bereiche, auf die entweichende Teilchen aus dem Rand des Plasma­ringes gezielt gelenkt werden. Zusammen mit Verunreinigungen werden die auftreffenden Teilchen hier neutralisiert und abgepumpt.

Abb. 1: Blick in das Plasmagefäß der Fusionsanlage Wendelstein 7-X
Foto: MPI für Plasmaphysik, Jan Michael Hosan

„Die ersten Erfahrungen mit den neuen Wand­elementen sind ausgesprochen positiv”, sagt Prof. Dr. Thomas Sunn Pedersen. Waren am Ende der ersten Kampagne Pulsdauern von 6 Sekunden zu erreichen, sind nun bis zu 26 Sekunden lange Plasmen möglich. Dabei konnten bis zu 75 Megajoule Heizenergie in das Plasma eingespeist werden – 18 Mal mehr als in der ersten Betriebs­runde ohne Divertor. Auch die Heizleistung konnte erhöht werden – eine Voraus­setzung für hohe Plasma­dichte.

Auf diese Weise wurde ein Rekordwert für das „Fusions­produkt” erreicht. Dieses Produkt aus Ionen­temperatur, Plasma­dichte und Energie­einschlusszeit gibt an, wie nahe man den Reaktor­werten für ein brennendes Plasma kommt. Bei rund 40 Millionen Grad Ionen­temperatur und einer Dichte von 0,8 x 1020 Teilchen pro Kubikmeter hat Wendelstein 7-X ein Fusions­produkt von gut 6 x 1026 Grad mal Sekunde pro Kubikmeter erreicht – weltweiter Stellarator-Rekord. „Dies ist ein für die Größe der Maschine ausge­zeichneter Wert, der zudem unter realistischen Bedingungen, d. h. bei hoher Temperatur der Plasma-Ionen erreicht wurde”, so Prof. Sunn Pedersen. Die erzielte Energie­einschlusszeit – ein Maß für die Güte der Wärme­isolation des magnetisch eingeschlossenen Plasmas – deutet mit beachtlichen 200 Milli­sekunden darauf hin, dass die Wendelstein 7-X zugrunde­liegende rechnerische Optimierung greift: „Das stimmt uns für die weitere Arbeit optimistisch”.

Dass die Optimierung nicht nur bezüglich der Wärme­isolation Wirkung zeigt, erweist die jetzt abgeschlossene Auswertung von Messdaten aus der ersten Experimentier­kampagne von Dezember 2015 bis März 2016, die gerade in der Fach­zeitschrift Nature Physics erschienen ist (s. u.). Sie zeigt, dass sich auch der sogenannte „Bootstrap-Strom” wie gewünscht verhält. Dieser elektrische Strom wird von Druck­unterschieden im Plasma hervor­gerufen und könnte das maßgeschneiderte Magnet­feld verformen. Teilchen aus dem Plasma­rand träfen dann nicht mehr an den richtigen Stellen auf den Divertor auf. Der Bootstrap-Strom sollte in Stellaratoren daher so klein wie möglich sein. Dass dies in der optimierten Feld­geometrie tatsächlich gelungen ist, hat die Analyse nun bestätigt. „Damit konnte bereits die erste Experiment­kampagne wichtige Aspekte der Optimierung verifizieren”, sagt Erstautor Dr. Andreas Dinklage: „Eine genauere und systematische Evaluierung wird in künftigen Experimenten bei deutlich höherer Heizleistung und höherem Plasma­druck folgen”.

Seit Ende 2017 liefen an Wendelstein 7-X weitere Ausbauten: Unter anderem wurden neue Messgeräte und Heizsysteme installiert. Im Juli 2018 sollen die Plasma­experimente wieder beginnen. Ab Herbst 2018 ist dann ein größerer Ausbau geplant: Die jetzigen Graphit­kacheln des Divertors werden durch kohlenstoff­faserverstärkte Kohlenstoff-Elemente ersetzt, die zusätzlich wasser­gekühlt sind. Sie sollen bis zu 30 Minuten lange Entladungen möglich machen, in denen überprüft werden kann, ob Wendelstein 7-X seine Optimierungs­ziele auch dauerhaft erfüllt.

Am 3. Februar 2016 wurde in der Fusions­anlage Wendelstein 7-X im Max-Planck-Institut für Plasma­physik (IPP) in Greifswald das erste Wasserstoff-Plasma erzeugt. Damit hat – nach dem Start der Anlage mit einem Helium-Plasma Anfang Dezember 2015 – der wissen­schaftliche Experimentier­betrieb begonnen.

Seit dem Betriebsstart am 10. Dezember 2015 hat Wendelstein 7-X mehr als 300 Entladungen mit dem Edelgas Helium erzeugt. Sie wurden vor allem zum Reinigen des Plasma­gefäßes genutzt. Je sauberer die Gefäßwand, desto höher stieg die Plasma­temperatur, zuletzt bis auf 6 Millionen Grad. Außerdem wurden Plasma­heizung und Daten­aufnahme getestet sowie die ersten Mess­apparaturen zur Untersuchung des Plasmas in Betrieb genommen, komplexe Instrumente wie Röntgen­spektrometer, Inter­ferometer, Laser­streuungs- und Video­diagnostik. „Damit ist alles bereit für den nächsten Schritt”, erklärte Projekt­leiter Prof. Dr. Thomas Klinger: „Wir wechseln von Plasmen aus Helium zu Wasser­stoff, unserem eigentlichen Untersuchungs­objekt”.

Das erste Wasserstoff-Plasma – eingeschaltet am 3. Februar 2016 im Rahmen eines Festakts mit zahlreichen Gästen aus Wissenschaft und Politik – markiert den Beginn des wissen­schaftlichen Experimentier­betriebs an Wendelstein 7-X. Auf Knopfdruck von Bundes­kanzlerin Dr. Angela Merkel verwandelte ein 2-Megawatt-Puls der Mikrowellen­heizung eine winzige Menge Wasserstoff-Gas in ein ultradünnes, extrem heißes Wasserstoff-Plasma. Dabei lösen sich die Elektronen von den Kernen der Wasserstoff­atome. Im magnetischen Käfig von Wendelstein 7-X eingeschlossen, schweben die geladenen Teilchen berührungsfrei vor den Wänden der Plasma­kammer. „Mit einer Temperatur von 80 Millionen Grad und einer Dauer von einer Viertel-Sekunde hat das erste Wasserstoff-Plasma in der Maschine unsere Erwartungen vollständig erfüllt”, sagt Dr. Hans-Stephan Bosch, dessen Bereich für den Betrieb von Wendelstein 7-X zuständig ist.

Die jetzt begonnene Experimentier­phase wird bis Mitte März 2016 dauern. Danach wird das Plasmagefäß geöffnet, um Kohlenstoff­kacheln zum Schutz der Gefäßwände zu montieren und einen sogenannten „Divertor” zum Abführen von Verunreinigungen: „So ausgerüstet, werden höhere Heizleistungen, höhere Temperaturen und längere Entladungen bis zu 10 Sekunden möglich”, erläutert Prof. Klinger. Stufen­weise sind weitere Ausbauten geplant, bis in etwa 4 Jahren 30 Minuten lange Entladungen erzeugt werden können und bei voller Heizleistung von 10 Megawatt überprüft werden kann, ob Wendelstein 7-X seine Optimierungs­ziele erfüllt.

Am 10. Dezember 2015 wurde in der Fusionsanlage Wendelstein 7-X im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald das erste Helium-Plasma erzeugt. Damit hat nach gut einem Jahr technischer Vorbereitungen und Tests der Experimentier­betrieb planmäßig begonnen.

Nach 9 Jahren Bauzeit und über einer Million Montage­stunden wurde im April 2014 die Haupt­montage von Wendelstein 7-X abgeschlossen. Seither liefen die Betriebs­vorbereitungen. Nacheinander wurden alle technischen Systeme geprüft – das Vakuum in den Gefäßen, das Kühlsystem, die supra­leitenden Spulen, das von ihnen erzeugte Magnet­feld, das Steuer­system sowie die Heiz­apparaturen und Mess­geräte. Am 10. Dezember war es 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, schaltete die Mikrowellen­heizung für einen kurzen 1,3 Megawatt-Puls an – und im Visier der eingebauten Kameras und Messgeräte zeigte sich das erste Plasma. „Wir beginnen mit einem Plasma aus dem Edelgas Helium. Erst im nächsten Jahr wechseln wir zu dem eigentlichen Untersuchungs­objekt, einem Wasserstoff-Plasma”, erläutert Projekt­leiter Prof. Dr. Thomas Klinger: „Denn mit Helium ist der Plasma­zustand leichter zu erreichen. Außerdem können wir mit Helium-Plasmen die Oberfläche des Plasma­gefäßes reinigen”.

Das erste Plasma in der Maschine dauerte eine Zehntel-Sekunde und erreichte eine Temperatur von rund einer Million Grad. „Wir sind sehr zufrieden”, fasst Dr. Hans-Stephan Bosch, dessen Bereich für den Betrieb von Wendelstein 7-X zuständig ist, den Verlauf des ersten Experimentier­tags zusammen: „Alles lief wie vorgesehen”. Als nächstes will man die Dauer der Plasma­entladungen verlängern und untersuchen, wie die Helium-Plasmen durch Mikro­wellen am besten zu erzeugen und aufzuheizen sind. Nach einer Pause zum Jahres­wechsel geht es im Januar mit Einschluss­studien weiter, die das erste Plasma aus Wasser­stoff vorbereiten.

Mit dem erfolgreich abgeschlossenen Test aller 70 Magnet­spulen ist jetzt die Funktion der technologischen Schlüssel­komponente für das Fusions­experiment Wendelstein 7-X sicher­gestellt. Die übermanns­großen supra­leitenden Spulen werden den magnetischen Käfig erzeugen, der das viele Millionen Grad heiße Fusions­plasma einschließt.

Ein Ring aus 50 supra­leitenden, etwa 3,5 Meter hohen Magnet­spulen ist das Kernstück der Anlage. Mit flüssigem Helium auf Supraleitungs­temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt, verbrauchen sie nach dem Einschalten kaum Energie. Ihre speziellen Formen sind das Ergebnis ausgefeilter Optimierungs­rechnungen: Sie sollen einen besonders wärme­isolierenden magnetischen Käfig für das Plasma erzeugen. Um das Magnet­feld verändern zu können, ist den Stellarator-Spulen ein zweiter Satz von 20 flachen, ebenfalls supraleitenden Spulen überlagert.

Abb. 1: Das supraleitende Magnetsystem von Wendelstein 7-X: 50 speziell geformte Stellarator­spulen (blau) und 20 flache Spulen (braun) bauen den magnetischen Käfig für das Plasma auf. Grafik: IPP

Seit gut einem Jahr laufen an Wendelstein 7-X die Betriebs­vorbereitungen. Nacheinander wird die Funktion aller technischen Systeme geprüft. Ab Ende April 2015 waren die Magnet­spulen, das Herzstück der Anlage, an der Reihe. Zwar wurden sämtliche Spulen bereits während der Fertigung einzeln getestet. Insbesondere wurde untersucht, wie sich die Spulen beim so genannten Quench verhalten – dem härtesten Test, den ein Supraleiter bestehen muss: Dabei verliert die Spule plötzlich ihre Supraleitungs­eigenschaften und wird zu einem normalen Leiter. Mit den Tests wurde sicher­gestellt, dass die Spulen den hohen Belastungen unbeschadet standhalten und nach erneuter Abkühlung wieder so supraleitend sind wie zuvor.

Während der Betriebs­vorbereitung ging es nun um das Verhalten der Magnet­spulen im montierten Verbund: Die supra­leitenden Elektro­magnete wurden zunächst gruppen­weise unter Strom getestet. Begonnen wurde mit den flachen Spulen vom Typ A, es folgten Typ B und dann – ab Mai 2015 – nacheinander die fünf unter­schiedlichen Typen der gewundenen Stellarator-Spulen: Abgekühlt auf 4 Kelvin, d. h. minus 269 Grad Celsius, wurden die einzelnen Spulen-Kreise zunächst bei niedriger Stromstärke von 500 Ampere untersucht und das Quench-Detektions-System eingestellt. Dann erhöhte man die Stromstärke stufenweise, je nach Spulentyp bis auf 12,8 Kiloampere. In den bis zu vierstündigen Pulsen wurde auch das Kryosystem getestet und die zahlreichen Ventile justiert, die das Kühlmittel in die unter­schiedlichen Kühlkreisläufe lenken. Auch die sensiblen Strom­zuführungen, die warme und tiefkalte Bereiche miteinander verbinden, wurden geprüft und eingestellt. Die Spulen mussten zudem einen simulierten Quench durchlaufen, um zu testen, ob das automatische Detektions-System anspringt. Zu registrieren und mit den Planwerten zu vergleichen waren auch die Formänderungen der Spulen und die mechanischen Spannungen in den Gehäusen, die von den Magnet­kräften der Spulen hervor­gerufen werden. „Alles stimmt gut mit den Berechnungen überein”, konnte Dr. Hans-Stephan Bosch, der Leiter des Bereichs „Wendelstein 7-X Betrieb”, am 17. Juni feststellen.

Nach der erfolgreichen Prüfung in einzelnen Gruppen folgte – mit gleicher Prozedur – der Test des kompletten Spulen­kranzes. Beim Einschalten des Stromes wirken nun alle 70 Spulen mit ihren magnetischen Kräften aufeinander ein. Erst jetzt wurden alle Spulen gemeinsam bis zum späteren Sollwert von 12,8 Kiloampere mit Strom beschickt. „Der Spulenverbund hat sämtliche technischen Prüfungen bestanden”, fasste Dr. Bosch am 6. Juli die umfangreichen Testreihen zusammen: „Damit ist die Funktions­fähigkeit der zentralen Anlagen­komponente sicher­gestellt. Wir können nun den nächsten großen Schritt in Angriff nehmen, das Ausmessen der magnetischen Flächen.” Dabei wird geprüft, ob die Spulen den magnetischen Käfig für das Plasma in der gewünschten Form aufbauen. Noch in diesem Jahr soll Wendelstein 7-X das erste Plasma erzeugen.

Mit der erfolgreich abgeschlossenen Funktions­prüfung der letzten von insgesamt 70 Magnet­spulen ist jetzt die wissen­schaftlich-technologische Schlüssel­komponente für das Fusions­experiment Wendelstein 7-X fertig gestellt. Die übermanns­großen supra­leitenden Spulen werden den magnetischen Käfig erzeugen, der das viele Millionen Grad heiße Fusions­plasma einschließt.

Ziel der Forschung ist es, ein klima- und umwelt­freundliches Kraftwerk zu entwickeln, das ähnlich wie die Sonne aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnt. Die Zünd­temperatur für dieses Fusionsfeuer ist gewaltig: über 100 Millionen Grad. Damit sich der extrem dünne Brennstoff, ein Wasserstoff­plasma, nicht an den Wänden der Brennkammer abkühlt, muss es gelingen, ihn in Magnet­feldern nahezu berührungs­frei und stabil einzuschließen – ein Aufwand, der sich lohnt: Ein Gramm Fusions­brennstoff könnte soviel Energie freisetzen wie 11 Tonnen Kohle.

Wendelstein 7-X wird nach der Fertig­stellung die weltweit größte Fusions­anlage vom Typ Stellarator sein. Sie hat die Aufgabe, die Kraftwerks­eignung dieses Bautyps zu untersuchen. Mit bis zu 30 Minuten langen Entladungen soll sie – erstmals in der Geschichte der Fusions­forschung – seine wesentliche Eigenschaft zeigen, die Fähigkeit zum Dauer­betrieb. Das internationale Großprojekt ITER (lat.: der Weg), das gegenwärtig in Cadarache/Frankreich entsteht, wird auf die mit Wendelstein 7-X gesammelten Erfahrungen aufbauen und sie in die eigenen Anstrengungen zum Erreichen des Dauerbetriebs einbringen.

Abb. 1: Aus den Rechnungen der Plasmaphysiker und Konstrukteure sind fertige Spulen geworden, hier beim Auffädeln auf das Plasma­gefäß. © IPP, Beate Kemnitz

Den magnetischen Käfig für Wendelstein 7-X erzeugen 50 supra­leitende, etwa 3,5 Meter hohe und jeweils 6 Tonnen schwere Magnet­spulen – das Kernstück der Anlage. Ihre bizarren Formen sind das Ergebnis ausgefeilter Optimierungs­rechnungen: Sie sollen einen besonders stabilen und wärme­isolierenden magnetischen Käfig für das Plasma erzeugen. Wegen der angestrebten langen Pulszeiten wurden zum Bau der Magnete supra­leitende Stromleiter benutzt. Mit flüssigem Helium auf Tief­temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt, verbrauchen sie nach dem Einschalten kaum Energie. Um das Magnet­feld verändern zu können, wird ein zweiter Satz von 20 flachen, ebenfalls supra­leitenden Spulen überlagert.

Abb. 1: Computergrafik: Magnetspulen und Plasma von Wendelstein 7-X. Die Gestalt des Plasmas wird von dem optimierten Magnetfeld bestimmt: Es besitzt eine fünfzählige Symmetrie, d. h. von oben betrachtet, ist das Plasma nicht genau kreisförmig, sondern ähnelt einem Fünfeck. Weitere Merkmale sind die Spiralform der magnetischen Achse und der wechselnde – dreieckig bis bohnenförmige – Querschnitt des Plasmas. Grafik: MPI für Plasmaphysik

Zur Prüfung der Betriebs­eigenschaften wurden alle 70 Spulen im Anschluss an die Fertigung zu einer Testanlage der französischen CEA nach Saclay bei Paris transportiert. Ziel war es, die Funktions­tüchtigkeit und Lebensdauer der teuren Hightech-Bauteile sicher­zustellen und später beim Betrieb aufwändige Reparaturen zu vermeiden. In der eigens für diese Prüfung entwickelten Testanlage wurden die auf Tieftemperatur abgekühlten Spulen einer Vielzahl von elektrischen und mechanischen Tests unter­worfen. Insbesondere wurde untersucht, wie sich die Spulen beim so genannten Quench verhalten – dem härtesten Test, den ein Supraleiter bestehen muss: Dabei verliert die Spule schlagartig ihre Supraleitungs­eigenschaften und wird zu einem normalen Leiter. Zu untersuchen war, ob die Spulen den hohen Belastungen unbeschadet standhalten und nach erneuter Abkühlung wieder so supra­leitend sind wie zuvor.

Hatte eine Spule alle Tests erfolgreich durch­laufen, wurde sie zur Montage in das IPP nach Greifswald weiter­transportiert. Andernfalls ging sie zur Behebung des Problems zurück zum Hersteller.

Die erste Spule kam im Juni 2003 in Saclay an; inzwischen haben alle 70 ihre Prüfung bestanden und sich dabei als ausgesprochen robust und gutmütig gezeigt. „Mit der so erwiesenen hohen Qualität dieser wichtigen Bauteile sind wir zuversichtlich”, erklärt Prof. Dr. Thomas Klinger vom Max-Planck-Institut für Plasma­physik, „dass der Magnet­käfig von Wendelstein 7-X zuverlässig funktionieren wird.”

Der erste große Fertigungs­auftrag für das Fusions­periment Wendelstein 7-X, die Herstellung der Plasma­kammer, ist erfolgreich abgeschlossen: Die 20 Sektoren des bizarr geformten, 35 Tonnen schweren Gefäßes wurden aus mehreren hundert Einzelteilen zusammengefügt – ein handwerkliches Meisterstück.

Gefertigt wurde das Plasmagefäß von der MAN DWE GmbH in Deggendorf in 20 Teil­stücken, von denen 4 im IPP bereits für die Montage des Experiments genutzt werden. Zu einem annähernd ring­förmigen Gefäß von rund 12 Metern Durchmesser zusammen­gesetzt, wird die Plasma­kammer später das bis zu 100 Millionen Grad heiße Plasma einschließen. In seiner Form ist das Gefäß dem verwundenen Plasma­schlauch angepasst. Diese eigenwillige Gestalt zusammen mit der verlangten hohen Maßhaltigkeit machte die Herstellung zu einer anspruchs­vollen Aufgabe: Stellen­weise sind die Toleranzen nicht größer als 3 Millimeter.

Abb. 1: Teilstück der Plasmakammer von Wendelstein 7-X: Zwanzig dieser Elemente werden zu an. Die Öffnungen im Gefäß machen das Plasma für Heizung und Messgeräte zugänglich. Foto: IPP, W. Filser

Um die bizarre Form in Stahl nach­zubilden, wurde das 35 Tonnen schwere Gefäß aus 200 einzelnen Ringen aufgebaut. Jeder Ring wiederum besteht aus mehreren finger­dicken und 18 Zentimeter breiten Stahl­blech­streifen, die vielfach geknickt die geschwungenen Konturen nachformen. Mehr als 1600 Meter Schweißnaht fügen die über 800 Einzelteile des Gefäßes vakuum­dicht zusammen. Dazu wurden die zu verbindenden Bauteile in genau definierter Position in 2 Millimeter Abstand voneinander fixiert und der Spalt durch mehrere neben- und über­einander per Hand angeschweißte Lagen von Draht geschlossen – insgesamt wurden dabei einige Kilometer Schweißdraht verbraucht.

299 Öffnungen, durch die später das Plasma beobachtet und geheizt sowie wärme­belastete Wandpartien gekühlt werden sollen, wurden anschließend mit scharfem Wasserstrahl in die Gefä0teile geschnitten. Jeder der 20 Sektoren wurde auf der Innenseite mit Halterungen für die spätere Wandverkleidung versehen und außen mit Kühl- und Heizrohren. Es folgten Tests sämtlicher Gefäß­segmente und Rohre auf Ultra­hoch­vakuum­dichtigkeit. 3-dimensionale Vermessungen mit dem Laser­tracker begleiteten die Fertigung von Anfang an und stellten sicher, dass die vorgegebene Form auch exakt erreicht worden war: „Die asymmetrische Gestalt gepaart mit der verlangten hohen Genauigkeit machte all dies”, so fasst der für das Plasma­gefäß verantwortliche IPP-Ingenieur Bernd Hein zusammen, „zu einem Behälterbau am Rand des technisch Möglichen, der höchste Anforderungen an das handwerkliche Können der Beteiligten stellte”.

Im fertigen Experiment wird das Plasma­gefäß im Inneren eines Kranzes aus 70 supra­leitenden Magnet­spulen liegen. Sie erzeugen den magnetischen Käfig, der das Plasma vor den Innen­wänden des Plasma­gefäßes in Schwebe hält. Der Spulenkranz wiederum ist umgeben von einer wärme­isolierenden Außen­hülle. Eine Super­isolation umschließt den luftleeren Raum zwischen Plasma- und Außen­gefäß und trennt die mit flüssigem Helium auf Supra­leitungs­temperatur abgekühlten Magnet­spulen von ihrer warmen Umgebung. Die gesamte Anlage ist aus 5 nahezu baugleichen Modulen aufgebaut, die vormontiert und dann in der Experimentier­halle kreisförmig zusammen­gesetzt werden. Die Montage von Wendelstein 7-X (siehe IPP-Presse­information 5/05), die bereits im Frühjahr 2005 begonnen hat, wird rund 6 Jahre dauern.