W7-X: Der Countdown hat begonnen

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Plasmen im Mittelpunkt
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Diese Woche wurde am 20. Mai mit einem kleinen Festakt die Montagephase des weltgrößten Stellarators Wendelstein 7-X (kurz: W7-X) symbolisch abgeschlossen. W7-X befindet sich jetzt offiziell in der Vorbereitungsphase für den Betrieb und der Countdown für die erste Plasmaentladung nächstes Jahr hat gewissermaßen begonnen. Höchste Zeit, einmal zurückzublicken und einen Blick nach vorne zu wagen.

Blick auf W7-X, die Montagearbeiten sind weitestgehend abgeschlossen, die Vorbereitungen für den Experimentierbetrieb haben begonnen
Blick auf W7-X: die Montagearbeiten sind weitestgehend abgeschlossen, die Vorbereitungen für den Experimentierbetrieb haben begonnen. Bild: IPP / Bernhard Ludewig.

Zu Erinnerung: Bei W7-X handelt es sich um ein Fusionsexperiment vom Typ Stellarator. Bei Stellaratoren wird das zum Einschluss des heißen Plasmas notwendige Magnetfeld komplett mittels externer Spulen erzeugt, im Gegensatz zum Tokamak, bei dem ein Teil des Magnetfeldes durch einen im Plasma fließenden Strom erzeugt wird. Tokamaks sind einfacher zu designen und zu konstruieren, daher sind sie auch den Stellaratoren eine Generation voraus. So soll der Tokamak ITER, momentan im Bau befindlich in Cadarache (Südfrankreich) zeigen, dass es möglich ist, mehr Energie durch Fusion frei zusetzen, als man Energie aufgebracht hat um das Plasma auf die zur Fusion erforderlichen Temperaturen von ca. 100 Mio. Grad zu erhitzen. Soweit ist man bei Stellaratoren noch nicht: W7-X hat als Ziel herauszufinden, wie ein Fusionsreaktor vom Typ Stellarator auszusehen hätte. Es sollen die Bedingungen bestimmt werden, bei denen eine ähnliche, aber größere Maschine, als Fusionsreaktor taugen würde. Oder, etwas kürzer gesagt, W7-X soll die Kraftwerktauglichkeit eines Stellarators zeigen.

Die Geschichte von W7-X beginnt vor über 35 Jahren mit der Entführung der Lufthansa-Maschine „Landshut“. Auch wenn es eine deutsche GSG-9 – Einheit war die letztendlich die Geisel befreite, so haben wohl im Hintergrund intensive Gespräche vor allem mit britischen Kollegen stattgefunden. Als Dank dafür soll Helmut Schmidt die Forderung JET, der aktuell immer noch größte Tokamak der Welt, in Deutschland (am IPP Garching) zu bauen, zurückgezogen haben und der Weg war frei, JET in Culham (England) zu bauen.

Das IPP hatte allerdings erwartet, dass JET in Garching errichtet werden würde und musste sich nun neu für die Zukunft orientieren. 1981 tauchte in der Programmplanung dann erstmals unter anderem der Entwurf eines „Advanced Stellarators“ auf – genau das, was W7-X heute ist. Entscheidend für die erfolgreiche Konzeptionierung von W7-X war dabei die in Garching vorhandene Rechenleistung: Die Spulen eines Stellarators haben komplizierte geometrische Formen und erfordern aufwändige numerische Optimierungsverfahren.

Anfang der 90er Jahre waren die Baupläne für W7-X fertig, die Bundesregierung allerdings nicht bereit, dem nächsten Schritt des Projektes zuzustimmen. Ein Wechsel im Amt des Bundesforschungsministers machte jedoch den Weg frei für das Projekt: 1993 sprach sich der neue Minister Paul Krüger für W7-X aus, unter der Bedingung, das Mecklenburg-Vorpommern, seine Heimat, davon profitieren sollte. Da Greifswald bereits als Plasmaphysik-Schwerpunkt bekannt war, hatte das IPP nichts einzuwenden und auch politisch gesehen war es erwünscht die neuen Bundesländern zu fördern. Mecklenburg-Vorpommern nahm das Projekt begeistert auf und so erfolgte im Juni 1997 die Grundsteinlegung.

Während der Konstruktionsphase erwiesen sich dann vor allem die 70 supraleitenden Magnetfeldspulen als problematisch, was den Aufbau um ein ca. 2-3 Jahre verzögerte. Allerdings hat man hierbei auch einige wichtige Erfahrungen gesammelt, die bei der Planung zukünftiger Experimente, wie beispielsweise ITER, helfen.

Demospule von W7-X, die komplizierte Form ist das Resultat numerischer Optimierungen.
Demospule von W7-X, die komplizierte Form ist das Resultat numerischer Optimierungen. Bild: Stefan Wolf.

Am Dienstag war es nun also soweit und die zuständige Politprominenz gab den symbolischen Startschuss für die Vorbereitungen zur ersten Plasmaentladung: Bundesministerin für Bildung und Forschung Johanna Wanka, der Ministerpräsident von Mecklenburg-Vorpommern Erwin Sellering und der EU-Kommissar für Energie Günther Oettinger.

Wie geht es nun weiter? Dazu muss man sich kurz den Aufbau von W7-X in Erinnerung rufen: Es gibt ein inneres Gefäß, in dem sich das Plasma befinden wird. Außerhalb dieses Gefäßes befinden sich die supraleitenden Spulen. Das Plasmagefäß mitsamt der Spulen befindet sich wiederum innerhalb eines Gefäßes, des Kryostaten. Dieser wird als erstes evakuiert, zur besseren thermischen Isolation der kalten Spulen gegen die Außenwelt. Für das Auffinden und Beseitigen aller Lecks hat man insgesamt ca. 3 Monate vorgesehen, nach diesem Zeitraum soll das isolierende Vakuum stehen (insofern man beim Vakuum von stehen sprechen kann….). Dann werden die Spulen heruntergekühlt und das Magnetfeld testweise hochgefahren. Ist dann auch die innere Kammer vollständig evakuiert, gibt es Mitte nächsten Jahres das erste Plasma in W7-X zu bewundern. Wie gesagt: der Countdown läuft!

 

Alf Köhn-Seemann

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Alf Köhn-Seemann hat in Kiel Physik studiert und in Stuttgart über Mikrowellenheizung von Plasmen promoviert. Von 2010 bis 2015 war er dort als Post-Doc tätig. Nach mehreren Forschungsaufenthalten im englisch-sprachigen Raum, arbeitet er von 2015 bis Ende 2017 am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching. Seit Ende 2017 forscht und lehrt Alf Köhn-Seemann wieder an der Uni Stuttgart.

5 Kommentare

  1. “The W7-X is the first large stellarator designed to get the physics right,” says Allen Boozer, an applied physicist at Columbia University, in New York City.
    Wenn der W7-X das Studium eines Plasmas unter Bedingungen, die einer Fusion nahekommen, erlaubt, dann hat er mehr als sein Ziel erreicht. Denn über die dabei stattfindenden teilweise chaotischen Prozesse und Instablilitäten ist immer noch wenig – zu wenig -bekannt.

    Persönlich denke ich, dass ein Ungetüm wie der W7-X zu komplex ist um später einmal für praktische Dinge wie die Erzeugung von Energie zu dienen. Mit neuen Herstellungsverfahren analog dem 3D-Printing kann sich das aber ändern und die grotesken Spulen, die beim W7-X zum Einsatz kommen, sind dann nur ein Anwendungsfall einer Technologie, die immer mehr an Bedeutung gewinnt.

  2. Lieber Martin Holzherr,
    Sie sagen, dass Sie der Meinung sind, das W7-X zu komplex ist um später einmal von Nutzen zu sein. Genau das ist es aber, was man auch mit W7-X zeigen möchte: Dass man die Komplexität beherrscht und in der Lage ist ein solch kompliziertes Design auch in die Realität umzusetzen.

    Speziell für die Spulenherstellung war es im übrigen bereits notwendig neuartige Verfahren zu entwickeln und ich stimme Ihrem positivem Blick in die Zukunft zu, dass es durch weitere Neuerung eher unproblematischer wird, solche Objekte zu bauen.

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