Die Ansätze der Kernfusion: Tokamak, Stellarator & Co.

Kernfusion gilt als eine der vielversprechendsten Technologien zur Lösung der Energieprobleme der Zukunft. In der Einführung zur Kernfusion wurde bereits erklärt, wie die Verschmelzung von Atomkernen unter extremen Bedingungen enorme Energiemengen freisetzt. Doch um diese Reaktionen auf der Erde zu steuern, sind hochentwickelte Systeme erforderlich. Zwei der wichtigsten Ansätze zur Erzeugung und Kontrolle der Fusionsreaktion sind der Tokamak und der Stellarator. Dieser Beitrag beleuchtet die Funktionsweisen, Vor- und Nachteile dieser beiden Technologien und zeigt, warum sie als Schlüssel zur Fusionsenergie gelten.

Magnetischer Einschluss: Die wichtigsten Technologien für die Kernfusion

Es gibt unterschiedliche Ansätze, wie Kernfusion erreicht werden kann. Die bedeutendsten Methoden sind der magnetische Einschluss, etwa im Tokamak, und der Stellarator. Diese beiden Technologien versuchen, das Plasma – ein Gas aus ionisierten Teilchen – mithilfe starker Magnetfelder einzuschließen und zu stabilisieren. Das Ziel ist es, die Atomkerne bei extrem hohen Temperaturen und Drücken zur Verschmelzung zu bringen.

Beim Tokamak, wie er im ITER-Projekt zum Einsatz kommt, wird das Plasma durch einen Stromfluss stabilisiert, der im Inneren des Plasmas erzeugt wird. Die torusförmige Bauweise (vergleichbar mit einem Donut) und die starken Magnetfelder sorgen dafür, dass das Plasma nicht die Wände des Reaktors berührt. Dieses Konzept ist derzeit das weltweit am weitesten verbreitete und soll helfen, den „Break-even-Point“ zu erreichen – also den Punkt, an dem die Energieerzeugung die eingesetzte Energie übertrifft.

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Was ist ein Stellarator und wie unterscheidet er sich vom Tokamak?

Der Stellarator hingegen kommt ohne die Notwendigkeit aus, einen elektrischen Strom im Plasma zu erzeugen. Stattdessen verwenden Stellaratoren komplex geformte Magnetspulen, die das Plasma auf seiner Bahn halten. Ein prominentes Beispiel ist der „Wendelstein 7-X“ am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald, Deutschland. Diese Technologie verspricht stabilere Einschlusszeiten und einen potenziell kontinuierlichen Betrieb, was sie für den Einsatz in zukünftigen Kraftwerken interessant macht.

Überblick über ausgewählte Fusionsreaktoren: Wo sie stehen, was sie machen und wie weit sie sind.

Der Nachteil des Stellarators ist jedoch seine komplizierte Bauweise. Die Spulen müssen präzise geformt und platziert werden, um das Plasma stabil zu halten. Um diese Herausforderungen zu überwinden, forschen Start-ups wie Renaissance Fusion an vereinfachten Designs und innovativen Methoden zur Herstellung der Magnetstrukturen, die die Technologie für die industrielle Nutzung erschwinglicher und skalierbarer machen sollen. Mehr über die Herausforderungen der Kernfusionsforschung lesen Sie hier.

Alternativen und Weiterentwicklungen

Auch wenn das Prinzip des Stellarators bereits aus 1951 stammt, ist die Entwicklung keineswegs abgeschlossen. Beispielsweise setzt das französische Unternehmen Renaissance Fusion auf eine Methode, um die komplexen Magnetfelder für Stellaratoren zu erzeugen. Statt wie traditionell supraleitende oder Kupferbänder in komplizierten dreidimensionalen Formen um das Plasma zu wickeln, entwickelt das Unternehmen eine innovative "Malen"-Technologie. Hierbei werden große zylindrische Oberflächen mit Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) beschichtet und anschließend mithilfe eines Laser-Pinsels in präzise Muster graviert. Dieses Verfahren vereinfacht die Herstellung erheblich und ermöglicht die effiziente Erzeugung der komplexen Magnetfelder, die zur Plasmakonfinierung erforderlich sind. Neben Fusion könnte diese Technologie auch in Bereichen wie der medizinischen Bildgebung oder der Teilchenbeschleunigung Anwendung finden.

Flüssigmetall: Schutz und Wärmeableitung in einem

Eine weitere Technologie von Renaissance Fusion ist der Einsatz von flüssigem Metall, das eine Schicht um das Plasma bildet. Diese Schicht wird nicht nur durch Schwerkraft, sondern auch durch elektromagnetische Kräfte positioniert, sodass sie die Wände des Reaktors gleichmäßig bedeckt. Das flüssige Metall schützt vor Neutronenstrahlung, absorbiert die enorme Wärme und verhindert, dass die festen Materialien des Reaktors aktiviert werden. Bereits heute wurde erfolgreich demonstriert, dass eine 10 cm dicke Schicht aus einem dichten Material eine Fusion-relevante Alternative von bis zu 35 cm in Lithiumäquivalent darstellen kann. Diese Technologie ist einzigartig unter Fusion-Startups und adressiert ein entscheidendes Problem: den Umgang mit hohen Wärme- und Neutronenflüssen.

Ein modulares Design für die Zukunft der Fusion

Die Kombination aus Hochtemperatur-Supraleitern und Flüssigmetalltechnologie erreicht ihren Höhepunkt in einem modularen zylindrischen Demonstrator. Dieser Demonstrator verfügt über HTS-Beschichtungen auf der Außenseite und flüssiges Metall im Inneren, allerdings zunächst ohne Plasma. Ziel ist es, ein skalierbares Design zu schaffen, bei dem einzelne Zylinder zu einem Donut-förmigen Stellarator zusammengesetzt werden können. Dieses modulare Konzept vereinfacht nicht nur den Bau, sondern ermöglicht auch eine effiziente und kostengünstige Produktion von Fusionsreaktoren. Mit diesem Ansatz strebt Renaissance Fusion an, die erste kommerzielle Stromerzeugung durch Fusion bis Anfang der 2030er-Jahre zu realisieren.

Neben diesen Ansätzen des Tokamaks und Stellarators gibt es auch alternative Konzepte, wie die Trägheitsfusion, die auf einer völlig anderen Methode basiert. Auch private Unternehmen forschen an neuen Technologien, um die Kernfusion schneller zur Marktreife zu bringen.

Der Autor: Dr. Martin Large

Aus dem Schoß einer Lehrerfamilie entsprungen (Vater, Großvater, Bruder und Onkel), war es Martin Large schon immer ein Anliegen, Wissen an andere aufzubereiten und zu vermitteln. Ob in der Schule oder im (Biologie)-Studium, er versuchte immer, seine Mitmenschen mitzunehmen und ihr Leben angenehmer zu gestalten. Diese Leidenschaft kann er nun als Redakteur ausleben. Zudem kümmert er sich um die Themen SEO und alles was dazu gehört bei all-electronics.de.

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