Kernfusion ist seit Jahrzehnten das große Versprechen der Energiepolitik: nahezu unerschöpflich, klimaneutral, ohne das Risiko eines klassischen Reaktorunfalls wie bei der Kernspaltung. Im Inneren eines Fusionsreaktors sollen Atomkerne miteinander verschmelzen – ähnlich wie in der Sonne. Dabei wird enorme Energie freigesetzt, ohne dass nennenswert klimaschädliches CO2 entsteht.

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Was in der Natur selbstverständlich geschieht, ist im Labor jedoch eine technische Zumutung. Denn damit Fusion überhaupt möglich wird, braucht es Plasma. So nennen Physiker ein extrem heißes, elektrisch geladenes Gas. In einem Reaktor erreicht es Temperaturen von vielen Millionen Grad. Kein Material der Welt könnte dieses Plasma direkt berühren. Deshalb wird es mit starken Magnetfeldern in der Schwebe gehalten. Der Reaktor muss also einen künstlichen Feuerball bändigen, ohne ihn anzufassen.

Nun legt eine Studie des Teams um Guosheng Xu von den Hefei Institutes of Physical Science der Chinese Academy of Sciences in China nahe, dass den Forschenden bei dieser heiklen Aufgabe ein entscheidender Schritt gelungen sein könnte: Sie haben den künstlichen Feuerball ein Stück berechenbarer gemacht.

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Kernfusion: Warum der Rand des Plasmas zum Problem wird

Wie schwierig diese Aufgabe ist, zeigt sich besonders am Rand des Plasmas. Dort treffen zwei Anforderungen aufeinander, die sich lange widersprochen haben: Das Plasma soll heiß und leistungsfähig bleiben, zugleich aber darf es die Innenwände des Reaktors nicht zerstören.

Eine Schlüsselrolle spielt dabei der sogenannte Divertor. Wie ITER, der internationale Versuchsreaktor für Kernfusion in Südfrankreich, erklärt, funktioniert er wie ein Abgas- und Kühlsystem des Reaktors. Er leitet überschüssige Wärme, Teilchen und Verunreinigungen aus dem Plasma ab. Doch ausgerechnet an dieser Stelle entstehen enorme Belastungen. Die Hitze, der der Divertor ausgesetzt ist, kann so extrem sein, dass ITER sie mit einem Vielfachen der Belastung eines Raumfahrzeugs beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre vergleicht.

Hinzu kommen plötzliche Energieausbrüche am Plasmarand. In der Fachsprache heißen sie ELMs, kurz für „Edge Localized Modes“. Gemeint sind Instabilitäten, bei denen das Plasma schlagartig Energie nach außen schleudert. Für einen künftigen Dauerbetrieb wären solche Ausbrüche ein erhebliches Problem: Sie können Bauteile stark belasten, die Lebensdauer eines Reaktors verkürzen.

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Genau an diesem Zielkonflikt setzt die Arbeit des chinesischen Physikers Guosheng Xu und seines Teams an. Am Fusionsreaktor EAST, dem „Experimental Advanced Superconducting Tokamak“, gelang es den Forschenden nach eigenen Angaben, einen neuen Betriebszustand des Plasmas über mehrere Minuten aufrechtzuerhalten. EAST wird in China oft als „künstliche Sonne“ bezeichnet, weil der Reaktor Bedingungen erzeugen soll, wie sie sonst im Inneren von Sternen herrschen.

Wie es in der Studie im Fachjournal „Physical Review Letters“ heißt, erzeugte das Team einen Zustand, den die Autoren als „abgetrennten Divertor und turbulenzdominiertes Pedestal“ beschreiben. Einfacher gesagt: Der besonders belastete Abgasbereich des Reaktors wurde entlastet, während der empfindliche Rand des Plasmas kontrolliert blieb.

Beeindruckend ist nicht allein die Dauer, über die dieser stabile Zustand gehalten werden konnte. Bemerkenswert ist vor allem, dass das Plasma nach Angaben der Forschenden zugleich ruhig und leistungsfähig blieb. Bisher mussten Experimente oft einen Kompromiss eingehen: Entweder lief das Plasma stabiler, brachte aber weniger Leistung. Oder es war heiß und energiereich, wurde dafür jedoch anfälliger für Störungen.

Kernfusion: Wie Turbulenzen das Plasma stabilisieren

Um diesen Zustand zu erreichen, setzten die Wissenschaftler auf eine präzise dosierte Zugabe leichter Fremdgase. Sie wurden nicht wahllos in das Plasma eingebracht, sondern in Echtzeit so gesteuert, dass sie vor allem dessen Randbereich beeinflussten. Dort, im sogenannten Pedestal, entscheidet sich oft, ob das Plasma ruhig bleibt oder gefährliche Energieausbrüche entstehen.

Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik beschreibt das Pedestal als einen schmalen Bereich am äußeren Rand des heißen Plasmas, in dem Druck und Temperatur besonders stark abfallen. Man kann ihn sich als empfindliche Übergangszone vorstellen: Innen soll die Energie möglichst gut eingeschlossen bleiben, außen müssen Wärme und Verunreinigungen abgeführt werden. Wird diese Zone falsch gesteuert, verliert der Reaktor an Leistung oder belastet seine Bauteile zu stark.

Nach Darstellung der Studienautoren entstand durch die gezielte Gaszugabe ein überraschender Effekt. Die Turbulenzen wirkten nicht zerstörerisch, sondern wie ein Ventil: Sie transportierten störende Teilchen und Wärme nach außen, sodass beides über den Divertor abgeführt werden konnte. Gleichzeitig blieb das Plasma heiß genug, um leistungsfähig zu arbeiten.

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Ein fertiges Fusionskraftwerk ist damit noch nicht gebaut. Diese Einschränkung ist wichtig, denn die Geschichte der Kernfusion ist reich an vollmundigen Verheißungen. Seit Jahrzehnten scheint der Durchbruch stets nah und bleibt doch ein Stück entfernt. Auch der neue Versuch aus China beantwortet nicht alle offenen Fragen.

Trotzdem ist das Ergebnis bedeutsam. Ein künftiges Fusionskraftwerk muss nicht nur kurzzeitig Rekordwerte erreichen. Es muss über lange Zeit stabil laufen, seine Bauteile schonen und berechenbar Energie liefern. Wenn sich hohe Leistung und ein geschützter Divertor tatsächlich dauerhaft verbinden lassen, wie es das Team um Guosheng Xu in seiner Studie am EAST-Reaktor demonstriert hat, wäre das ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu alltagstauglicher Fusionstechnik.

Die Forschenden sehen in ihrem Betriebsmodus deshalb auch eine mögliche Vorlage für größere Anlagen. Besonders interessant könnte das für ITER sein, wo geprüft werden soll, ob sich ein Fusionsplasma in einer Größenordnung beherrschen lässt, die einem späteren Kraftwerk näherkommt. Ob sich die Ergebnisse von EAST dorthin übertragen lassen, ist allerdings die entscheidende offene Frage.