Kernfusion: Wendelstein 7-X erreicht Weltrekord bei langen Plasmaentladungen

Am 22. Mai 2025 erzielte der Stellarator Wendelstein 7-X am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald einen neuen Rekord für das Tripelprodukt bei 43-sekündigen Plasmaentladungen. Dieses Ergebnis der Fusionsforschung für den Stellarator bestätigte das IPP in einer Pressemitteilung vom 3. Juni. Das Tripelprodukt ist laut IPP die zentrale Erfolgsgröße auf dem Weg zu einem Fusionskraftwerk.

Erst ab einem bestimmten Schwellenwert kann ein Plasma in einer Anlage mehr Fusionsleistung erzeugen, als an Wärmeleistung investiert werden muss. Das Experiment im Rahmen der Kampagne OP 2.3 übertraf erstmals die Leistung von Tokamak-Anlagen bei kraftwerksrelevanten Entladezeiten. Ein neu entwickelter Injektor ermöglichte die kontinuierliche Zufuhr von Brennstoff durch 90 eingebrachte sogenannte Wasserstoffpellets.

Stellarator Wendelstein-7-X nähert sich bei Schlüsselparameter den Werten für Fusionskraftwerke an

Wendelstein 7-X steigerte den kumulativen Energieumsatz auf 1,8 GJ bei einer Plasmadauer von 360 s. Der Energieumsatz ergibt sich aus der eingekoppelten Heizleistung multipliziert mit der Dauer der Entladung. „Der entsprechende Bestwert der 1000 s langen Entladung im Tokamak EAST (China) wurde damit von Wendelstein 7-X sogar etwas übertroffen“, so das IPP.

Der Beta-Wert, der das Verhältnis von Plasmadruck zum magnetischen Druck misst, erreichte im Gesamtvolumen 3 %. Dieser Wert liegt nahe an den für Fusionskraftwerke benötigten 4 % bis 5 %. Die magnetische Konfiguration des Stellarators reduzierte zudem Plasmainstabilitäten, die in Fusionsreaktoren des Typs Tokamak typischerweise die Entladezeit begrenzen.

Fusionsforschung beim Stellarator beim Dauerbetrieb vor Tokamak-Anlagen

Der Stellarator übertraf im Rekordexperiment Tokamaks wie JET (Joint European Torus) und JT-60SA (Japan), obwohl diese ein dreimal größeres Plasmavolumen aufweisen. Tokamaks erreichen bei kurzen Entladungen (unter 10 s) höhere Tripelprodukt-Werte. Wendelstein 7-X habe erstmals die Überlegenheit des Stellaratorprinzips im Dauerbetrieb demonstriert, so das IPP. IPP-Projektleiter Thomas Klinger betont: „Dass wir bei langen Plasmadauerzeiten das Tripelprodukt auf Tokamak-Niveau anheben konnten, markiert einen weiteren wichtigen Meilenstein auf dem Weg zum kraftwerkstauglichen Stellarator.“

Aktueller Erfolg der Fusionsforschung beim Stellarator basiert auf zwei Innovationen

Nach Angaben des IPP basierte der Erfolg der Messungen im Mai auf zwei maßgeblichen Neuerungen. Zum einen entwickelte das Oak Ridge National Laboratory  (ORNL) des US-Energieministeriums (DOE) in Tennessee einen besonderen Injektor. Der schießt gefrorene Wasserstoffkügelchen mit 1,5 km/s ins Plasma hinein. Er wurde laut IPP eigens für Wendelstein X-7 entwickelt und sichert den nötigen Brennstoffnachschub, der erst so lange Plasmadauern ermögliche. Zum anderen lieferten zehn Gyrotron-Generatoren 10 MW an Heizleistung und hielten die Plasmatemperatur stabil. Diese beiden Systeme präzise zu synchronisieren, war laut IPP „entscheidend für den Rekord“.

Der Pelletinjektor des ORNL ist weltweit einzigartig. Das Gerät erzeugt kontinuierlich einen Strang aus Wasserstoff-Eis mit 3 mm Durchmesser. Von ihm werden laut IPP in Abständen von Sekundenbruchteilen 3,2 mm lange zylinderförmige Stücke abgeschnitten, die sogenannten Pellets. Der Injektor schießt diese mit Geschwindigkeiten von 300 m/s bis 600 m/s – wie in einem Blasrohr – mit großem Druck ins Plasma ein.

„Die Pellets führen im W7-X zu hoher Dichte, konzentriert im Zentrum, was zu steilen Anstiegen vom Rand zum Zentrum führt (im Jargon bezeichnet als ‚steile Dichteprofile‘ bzw. ‚gepeakte Dichtprofile‘ oder einfach ‚Dichtepeaking‘)“, erklärt ein Sprecher gegenüber VDI nachrichten. Diese steilen Anstiege führten zu einer starken Reduktion der Plasmaturbulenz, die für den Wärmeverlust vor allem der heißen Wasserstoffionen verantwortlich seien. Gibt es weniger Turbulenz, dann steigt also die Temperatur. Dann gebe es bessere Einschlusszeiten und – kombiniert mit der hohen Dichte – Bestwerte für das Tripelprodukt. Am Ende müsss man in einer Kernfusionsanlage die Turbulenz „zähmen“, was zum Beispiel auch in der berühmten H-Mode in Tokamaks passiere, weshalb diese so gute Werte zeigten.

Trotz Fortschritt beim Stellarator bleibt  selbsttragende Fusion unerreicht

Trotz der Fortschritte bleibt der Wert des Tripelprodukts mit „über 0,3*10²⁰ m^-3 keV*s“, so das IPP auf Nachfrage, weiterhin unterhalb der Schwelle von 3*10²¹ m^-3 keV*s, ab der die Fusionsenergieerzeugung die Heizenergie übersteigt. Das IPP verweist auf nach wie vor zwei zentrale Hürden. Zum einen halten aktuelle Wandmaterialien Neutronenflüssen von 10¹⁸ Teilchen/cm² nur begrenzt stand, zum anderen brauchen Fusionskraftwerke geschlossene Brennstoffzyklen. Sie müssen also ihren eigenen Kernbrennstoff „erbrüten“. Erste Tests am IPP zeigen Brutraten unter 0,8, der Wert muss aber 1,0 übersteigen.

Wie es weitergehen soll mit der Fusionsforschung bei Stellaratoren

Das Eurofusion-Konsortium, in dem europaweit 31 Organisation aus diesem Bereich Mitglied sind, plant, die Ergebnisse von Wendelstein 7-X in die Entwicklung künftiger Fusionsanlagen einzubringen. Parallel arbeitet das IPP an supraleitenden Magnetspulen der nächsten Generation, die Energieverluste um 15 % reduzieren sollen. Das Demonstrationskraftwerk (DEMO), als Nachfolger des derzeit im Bau befindlichen Tokamak-Fusionsreaktor Iter geplant, könnte nach aktuellen Prognosen ab 2060 netto Energie ins Netz einspeisen.