Wie funktioniert ITER?

Bei Fusionsreaktoren gibt es zwei unterschiedliche Bauprinzipien – Tokamak und Stellarator. Beide erzeugen im Inneren ihrer Vakuumkammern einen ringförmigen Plasmastrom. Die Art, wie das Plasma bewegt und gleichzeitig eingegrenzt wird, ist jedoch unterschiedlich.

Beim Stellarator sorgt ein komplex gewundenes Spulensystem für den magnetischen Einschluss und die Bewegung des Plasmas. Dieses unter anderem beim deutschen Fusions-Testreaktor Wendelstein 7-X verwendete Bauprinzip erreicht bislang noch keine so hohen Leistungen, ermöglicht dafür aber einen Dauerbetrieb. Theoretisch wären solche Reaktoren daher für Fusionskraftwerke besser geeignet, sind aber noch nicht weit genug entwickelt.

Drei Magnetsysteme

Für ITER wird daher die zweite, besser erforschte Variante verwendet, der Tokamak. Das Bauprinzip wurde in den 1960er Jahren von russischen Fusionsforschern entwickelt und seither in vielen kleineren Testreaktoren umgesetzt. Anders als der Stellarator besitzt der Tokamak eine zentrale Transformatorspule, die einen starken ringförmigen Strom samt Magnetfeld im Plasma induziert. Um den Plasmastrom herum sind weitere Magnetringe angeordnet, die dem Plasmamagnetfeld eine schraubenförmige Windung verliehen. Eine dritte, waagerecht um den gesamten Torus laufende Magnetgruppe sorgt für zusätzliche Stabilisierung.

Anders als bei früheren Tokamaks bestehen die Spulen des zentralen Solenoids und der toroidalen Ringmagnete bei ITER nicht aus Kupfer, sondern aus dem Supraleiter Niobzinn (Nb₃Sn). Sie werden mit flüssigem Helium bis auf 4,5 Kelvin heruntergekühlt und können dann ein Magnetfeld von 13 Tesla an der zentralen Spule und 5,7 Tesla im Plasmastrom erzeugen – mehr als bei jedem andern Fusionsreaktor zuvor. Im Gegensatz zum Stellarator kann ein Tokamak jedoch immer nur kurze Entladungen mit dieser Intensität erzeugen, die Fusionsbedingungen halten daher nicht dauerhaft an.

Vom Vakuum zur Kernfusion

Um die Kernfusion zu starten, wird zunächst alles Gas aus der ringförmigen Vakuumkammer herausgepumpt. Dann wird das äußere, der Eingrenzung dienende Magnetfeld aufgebaut und Wasserstoffgas eingeleitet. Im Falle von ITER wird in den ersten Testdurchläufen normaler Wasserstoff verwendet, im Hauptbetrieb wird dieses durch ein Gemisch aus Deuterium und Tritium ersetzt. Beides sind schwerere Isotope des Wasserstoffs, die ein beziehungsweise zwei zusätzliche Neutronen im Kern aufweisen.

Jetzt beginnt die Entladung der zentralen Solenoidspule: Sie erzeugt ein elektrisches Feld, das den Wasserstoffatomen in der Kammer ihre Elektronen entreißt und sie so zu einem Plasma macht. Mit weiter steigender Feldintensität gerät dieses Plasma in immer schnellere Bewegung und beginnt, sich spiralig um die zentrale Achse zu bewegen. Parallel dazu heizt sich das Plasma durch die Bewegung und Kollisionen seiner Teilchen auf.

Die äußeren Magnetsysteme sorgen währenddessen dafür, dass das Plasma die Innenwände der Kammer nicht direkt berührt, sondern in der Schwebe bleibt. Das Plasma nimmt dadurch nur 840 Kubikmeter des insgesamt 1.400 Kubikmeter großen Innenraums ein. Während des Aufheizens kann zusätzlicher Brennstoff in Form von gefrorenen Pellets aus Deuterium und Tritium ins Plasma eingeschossen. Trotz des großen Volumens enthält die Plasmakammer jedoch nie mehr als rund ein Gramm Fusionsbrennstoff.

Externe Heizung durch schnelle Teilchen und Strahlung

Die Hitze, die durch den Plasmastrom entsteht, reicht allein nicht aus, um die für die Kernfusion nötigen Temperaturen von rund 150 Millionen Grad zu erreichen. Deshalb kommen bei ITER noch zwei zusätzliche Heizungssysteme zum Einsatz. Das erste ist die sogenannte Neutralinjektion, bei der ein Strahl von auf einen Megaelektronenvolt beschleunigter Deuteriumatome ins Plasma eingeschossen wird. Diese Teilchen übertragen ihre Energie durch Kollisionen an die Plasmateilchen und bringen das Plasma damit nah an die Fusionstemperatur heran.

Die zweite externe Heizung funktioniert über elektromagnetische Strahlung – ähnlich wie der Mikrowellenofen in der Küche. Dafür senden die Cyclotron-Heizungen von ITER Strahlung in zwei Frequenzen ins Plasma – 40 bis 55 Megahertz und 170 Gigahertz. Dies löst Resonanzschwingungen bei den Ionen respektive den Elektronen des Plasmas aus und heizt sie dadurch weiter auf. Alle drei Heizsysteme zusammen – ohmische Heizung, Neutralinjektion und Cyclotronstrahlung – bringen das Plasma im Kern von ITER auf 150 Millionen Grad und ermöglichen so die Kernfusion.