Energieerzeugung der Zukunft rückt näher Kernfusion: Wendelstein 7-X mit Rekord beim Tripelprodukt

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An der Kernfusions-Versuchsanlage Wendelstein 7-X erzielten Wissenschaftler einen Weltrekord bei einem zentralen Parameter der Fusionsphysik – dem Tripelprodukt. Das könnte der nächste Schritt auf dem Weg zum Fusionskraftwerk sein.

Kernfusionskraftwerke versprechen die Lösung für alle Energie- und Umweltprobleme. Wissenschaftler konzentrieren sich seit langer Zeit auf die Magnetfusion, die langsam in die Anwendungsforschung übergehen muss. Glaubt man den Prognosen, dürfte die Magnetfusion bis 2050 die dominierende Technik sein. Die beiden Konzepte, Stellarator und Tokamak, werden auf europäischer Ebene vorangetrieben. Auf dem Weg zu einem Fusionskraftwerk sind Anlagen vom Typ Stellarator eine der aussichtsreichsten Optionen.

Nun verkündete das Team W7-X des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) am Versuchskraftwerk Wendelstein 7-X in Greifswald einen Rekord: Am 22. Mai 2025 erzielten die Wissenschaftler in der Experimentkampagne OP 2.3 mit einer Plasmadauer über 43 s einen neuen Spitzenwert für die zentrale Kenngröße in der Fusionsphysik – das Tripelprodukt. Dieses definiert, wann mehr Energie aus dem Fusionsreaktor „herauskommt“, als an Energie „hineingesteckt“ wurde, also die Fusion stattfindet. Damit übertrifft Wendelstein 7-X bei längeren Plasmazeiten sogar die Bestwerte von Fusionsanlagen des Typs Tokamak.

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Die höchsten Werte für das Tripelprodukt erreichten der japanische Tokamak JT60U (stillgelegt 2008) und die europäische Tokamak-Anlage JET in Großbritannien (stillgelegt 2023). Bei kurzen Plasmadauern von wenigen Sekunden bleiben sie mit deutlichem Abstand Spitzenreiter.

Weltbestes Tripelprodukt bei langen Plasmazeiten

Bei den – für ein künftiges Kraftwerk wichtigen – längeren Plasmadauern liegt Wendelstein 7-X jetzt vorn, obwohl JET über ein dreimal so großes Plasmavolumen verfügte. Größe erleichtert bei Fusionsanlagen ganz erheblich das Erreichen hoher Temperaturen.

Der Tripelprodukt-Weltrekord für lange Pulse gelang durch einen neuen Pellet-Injektor, der gefrorene Wasserstoffkügelchen ins Plasma einschießt und so durch „Brennstoffnachschub“ erst lange Plasmadauern ermöglicht. Entwickelt hat den hochkomplexen und weltweit einzigartigen Injektor das Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) in Tennessee.

„Der neue Rekord ist eine großartige Leistung des internationalen Teams. Er zeigt eindrucksvoll das Potenzial von Wendelstein 7-X. Dass wir bei langen Plasmadauerzeiten das Tripelprodukt auf Tokamak-Niveau anheben konnten, markiert einen weiteren wichtigen Meilenstein auf dem Weg zum kraftwerkstauglichen Stellarator“, sagt Prof. Dr. Thomas Klinger, Leiter des Betriebs von Wendelstein 7-X und des Bereichs Stellarator-Dynamik und -Transport am IPP.

So liefen die Experimente zum Tripelprodukt ab

Beim Rekordexperiment zum Tripelprodukt wurden in einer raschen Sequenz über 43 s etwa 90 gefrorene millimetergroße Wasserstoffkügelchen („Pellets“) eingeschossen, während gleichzeitig starke Mikrowellen das Plasma heizten. Heizung und Pellet-Injektor mussten dazu genau koordiniert werden, um die optimale Kombination aus Heizleistung und Brennstoff-Füllung zu erreichen.

Dazu wurde der Pellet-Injektor erstmals so betreiben, dass er mit unterschiedlichen vordefinierten Pulsraten arbeitete. Dieses Schema ist unmittelbar relevant für einen künftigen Fusionsreaktor. Es kann potenziell auch auf längere Plasmadauern von mehreren Minuten ausgedehnt werden.

Der Einsatz von Pellets wurde dank der Vorarbeit mehrerer europäischer Labore möglich, unter anderem Simulationsrechnungen des spanischen Fusionsforschungslabors CIEMAT und Beobachtungen mit ultraschnellen Kameras durch das HUN-REN Centre for Energy Research Budapest. Das Mikrowellen-Heizsystem (genauer: Elektronen-Zyklotron-Resonanz) wurde in Zusammenarbeit mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und einem Team der Universität Stuttgart entwickelt. Es gilt als vielversprechendste Methode, um das Plasma auf fusionsrelevante Temperaturen zu bringen.

Bei dem Rekordexperiment wurde die Plasmatemperatur auf über 20 Mio. °C, in Spitzen sogar auf 30 Mio. °C getrieben. Die Messwerte zur Berechnung des Tripelprodukts lieferte unter anderem das Princeton Plasma Physics Laboratory des DOE, das zur Bestimmung der Plasma-Ionentemperatur bei W7-X ein Röntgen-Spektrometer betreibt. Die notwendigen Messwerte für die Plasmaelektronendichte stammen vom weltweit einzigartigen Interferometer des IPP. Die für die Berechnung des Tripelprodukts erforderliche Energieeinschlusszeit wurde ebenfalls mit IPP-Messinstrumenten bestimmt.

Prof. Dr. Robert Wolf, Leiter des Bereichs Stellarator-Heizung und -Optimierung am IPP, resümiert: „Die Rekorde dieser Experimentkampagne sind mehr als reine Messwerte. Sie stehen für einen wichtigen Fortschritt bei der Validierung des Stellarator-Konzepts – ermöglicht durch eine exzellente internationale Zusammenarbeit.“

Hintergrund: Was ist das Tripelprodukt?

Das Tripelprodukt ist die zentrale Messgröße bei einem Fusionskraftwerk. Erst ab einem bestimmten Schwellenwert, gegeben durch das Lawson-Kriterium, kann ein Plasma in einer Anlage mehr Fusionsleistung erzeugen, als an Wärmeleistung investiert werden muss. Die Energiebilanz wird dann positiv, d.h. es wird mehr Fusionsenergie erzeugt, als an Heizenergie aufgewendet werden muss, um das Plasma auf Temperatur zu bringen. Bei Überschreiten des Schwellwerts kann sich die Fusionsreaktion selbst tragen, ohne dass weiter geheizt werden muss.

Für ein Kraftwerk liegt dieser Schwellenwert bei:

n∙T∙ τ = 3 ∙ 10²¹ m^-3 keV s

Das Tripelprodukt ergibt sich aus der Teilchendichte des Plasmas n, seiner Temperatur T (genauer: der Temperatur der Ionen, zwischen denen Fusionsreaktionen stattfinden) und der Energieeinschlusszeit 𝜏 , also der Dauer, über die die Wärmeenergie aus dem Plasma entweicht, wenn nicht nachgeheizt wird. Die Einschlusszeit ist damit ein Maß für die Wärmeisolierung.

So funktioniert der Pellet-Injektor

Seit September 2024 ist der neue Dauerbetrieb-Pellet-Injektor in Greifswald erfolgreich im Einsatz. Das Gerät erzeugt kontinuierlich einen Strang aus Wasserstoff-Eis (Durchmesser 3 mm), von dem in Abständen von Sekundenbruchteilen 3,2 mm lange zylinderförmige Stücke (Pellets) abgeschnitten werden, um sie wie in einem Blasrohr mit großem Druck ins Plasma zu schießen. Die Pellets erreichen dabei Geschwindigkeiten von 300 bis 800 m/s. (kr)

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