KernfusionNuclear Fusion

Wendelstein 7-X ist eine der größten und komplexesten Fusionsforschungsanlagen der Welt. Als Stellarator soll sie untersuchen, ob sich ein extrem heißes Plasma mithilfe eines sorgfältig geformten Magnetfeldes dauerhaft einschließen lässt. Fünfzig eigens geformte supraleitende Magnetspulen erzeugen dafür eine eigentümlich verwundene Feldgeometrie. Wendelstein 7-X is one of the world’s largest and most complex fusion research facilities. As a stellarator, it is designed to investigate whether an extremely hot plasma can be confined for extended periods by a precisely shaped magnetic field. Fifty specially shaped superconducting coils produce an intricate, twisted magnetic geometry.

Als ich die Anlage 2013 besuchte, war sie noch im Bau. Vieles, was heute hinter Verkleidungen und innerhalb der fertigen Maschine verborgen ist, lag damals offen. Die ungeheure Komplexität wurde gerade in den kleinen Dingen fassbar: Auf Arbeitstischen lagen Reihen winziger, einzeln nummerierter Unikate aus Kupferblech, bei denen man beinahe fürchtete, schon ein kräftiger Luftzug könne Wochen sorgfältiger Arbeit zunichtemachen. When I visited the facility in 2013, it was still under construction. Much of what is now concealed behind panels and within the completed machine was then exposed. Its extraordinary complexity became particularly tangible in the smallest details: on workbenches lay rows of tiny, individually numbered, one-off components made from sheet copper, so delicate-looking that one almost feared a strong draught might undo weeks of painstaking work.

Es hatte etwas sehr Ermutigendes, zu sehen, wie aus zahllosen solchen Einzelteilen eine funktionsfähige Großmaschine entstand. Die Fotografien zeigen den Zusammenbau, Einblicke in das offene Plasmagefäß und die Mikrowellenheizung: Gyrotrons, deren Strahlung über eine rund 60 Meter lange Strecke wassergekühlter Kupferspiegel zur Maschine gelenkt wird. There was something deeply encouraging about watching a functioning large-scale machine emerge from countless such individual components. The photographs show the assembly process, views into the open plasma vessel and parts of the microwave heating system: gyrotrons whose radiation is guided to the machine along a roughly 60-metre path of water-cooled copper mirrors.

Die Kernfusion stellt extreme Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe. Neben hohen Wärmebelastungen müssen Bauteile eines künftigen Kraftwerks dem Beschuss durch hochenergetische Neutronen widerstehen. Diese verändern das Material und können es mit der Zeit spröde und unbrauchbar machen. Nuclear fusion places extreme demands on the materials used. Alongside intense thermal loads, components in a future power station must withstand bombardment by high-energy neutrons. These alter the properties of materials and can eventually make them brittle and unusable.

Im Fusionsmateriallabor des KIT werden Werkstoffe untersucht, die zuvor mit Neutronen bestrahlt wurden. Dazu dienen bislang unter anderem Forschungsreaktoren, deren Neutronen allerdings ein anderes Energiespektrum aufweisen als die eines künftigen Fusionskraftwerks. Die Proben sind nach der Bestrahlung teilweise selbst radioaktiv und müssen hinter Abschirmungen untersucht werden. At KIT’s Fusion Materials Laboratory, researchers examine materials that have previously been irradiated with neutrons. For now, this involves using research reactors, among other facilities, whose neutrons have a different energy spectrum from those in a future fusion power station. Some samples become radioactive as a result of irradiation and must be examined behind shielding.

Die Fotografien zeigen Heiße Zellen, in denen radioaktive Materialproben hinter dicken Schutzfenstern mit ferngesteuerten Manipulatoren bearbeitet werden, sowie Handschuhkästen für den sicheren Umgang mit gefährlichen Stoffen. Hier geht es um eine der grundlegenden Voraussetzungen der Fusionsenergie: die Lebensdauer ihrer Maschinen. The photographs show hot cells, where radioactive material samples are handled behind thick shielding windows using remotely operated manipulators, as well as gloveboxes for the safe handling of hazardous substances. The work addresses one of the fundamental requirements of fusion energy: the service life of its machines.

Die aussichtsreichste Brennstoffkombination für die ersten Fusionskraftwerke besteht aus Deuterium und Tritium, zwei Isotopen des Wasserstoffs. Tritium ist radioaktiv, nur begrenzt verfügbar und muss in einem künftigen Kraftwerk weitgehend im Kreislauf geführt und schließlich aus Lithium selbst erzeugt werden. The most promising fuel combination for the first fusion power stations consists of deuterium and tritium, two isotopes of hydrogen. Tritium is radioactive and in limited supply. In a future power station, most of the unused tritium will have to be recovered and recirculated, while fresh tritium will eventually need to be bred from lithium.

Das Tritiumlabor Karlsruhe entwickelt seit Jahrzehnten Verfahren für die sichere Handhabung, Reinigung, Trennung und Rückgewinnung dieses Brennstoffs. Eine besondere Herausforderung ist die Tritiumbilanzierung: Zu jedem Zeitpunkt muss möglichst genau bekannt sein, welche Mengen sich in den verschiedenen Anlagenteilen befinden, wo Tritium zurückgehalten wird und wie sich das Inventar begrenzen lässt. Die Karlsruher Arbeiten sind auch in die Entwicklung der Tritiumversorgung für ITER eingeflossen. For decades, the Tritium Laboratory Karlsruhe has been developing processes for the safe handling, purification, separation and recovery of this fuel. One particular challenge is tritium accounting: at any given time, it must be known as precisely as possible what quantities are present in the various parts of the facility, where tritium is being retained, and how the inventory can be limited. The work at Karlsruhe has also fed into the development of the tritium supply for ITER.

ASDEX Upgrade ist eine der wichtigsten europäischen Versuchsanlagen zur Erforschung des Tokamak-Prinzips. Anders als beim Stellarator trägt hier ein elektrischer Strom im Plasma selbst wesentlich zum einschließenden Magnetfeld bei. Die Anlage untersucht unter anderem die Stabilität des Plasmas, seine Wechselwirkung mit den Gefäßwänden und die Abfuhr von Teilchen und Wärme. ASDEX Upgrade is one of Europe’s most important experimental facilities for investigating the tokamak principle. Unlike a stellarator, a tokamak relies in part on an electric current flowing through the plasma itself to generate the confining magnetic field. The facility investigates, among other things, plasma stability, interactions between the plasma and vessel walls, and the removal of particles and heat.

Seit 2007 besitzt ASDEX Upgrade als erster Tokamak Oberflächen, deren Plasma-Seite vollständig mit Wolfram beschichtet ist. Damit lassen sich wichtige Erfahrungen für ITER und künftige Fusionskraftwerke sammeln. Since 2007, ASDEX Upgrade has been the first tokamak to have all its plasma-facing surfaces covered with tungsten. This provides valuable experience for ITER and future fusion power stations.

Während zweier Revisionen 2016 und 2017 konnte ich das Innere des geöffneten Plasmagefäßes fotografieren. Die gekrümmten metallischen Wandflächen und der zentrale Aufbau bilden einen fast unwirklichen Raum, in dem sich zugleich die Beanspruchung der Oberflächen und die Arbeit an der Maschine erkennen lassen. Einige Aufnahmen zeigen Techniker bei Arbeiten im Gefäß – einem Ort, der während des Plasmabetriebs vollkommen unzugänglich ist. During two maintenance periods in 2016 and 2017, I was able to photograph the interior of the opened plasma vessel. Its curved metallic wall surfaces and central structure form an almost unreal space, revealing both the stresses to which the surfaces are subjected and the work carried out on the machine. Some photographs show technicians working inside the vessel – a place that is entirely inaccessible during plasma operation.

Als ich im Februar 2018 nach Greifswald zurückkehrte, hatte Wendelstein 7-X die ersten Experimentkampagnen hinter sich. Aus der Baustelle von 2013 war eine funktionierende Forschungsmaschine geworden. When I returned to Greifswald in February 2018, Wendelstein 7-X had completed its first experimental campaigns. The construction site of 2013 had become an operational research machine.

Während einer Revision konnte ich das Plasmagefäß betreten. Sein Inneres hatte sich grundlegend verändert. Die 2013 noch sichtbare technische „Unterhaut“ aus Anschlüssen, Leitungen und Stutzen war weitgehend hinter individuell geschnittenen Metallplatten verschwunden, deren Fugen ein organisch wirkendes Netz bilden, die Felder aus Kupferplatten waren nun mit Graphitelementen belegt. Ein leises Surren verschiedener Maschinen erfüllte den Raum von allen Seiten. Mein unmittelbarer Eindruck war, in einer hochentwickelten, von Außerirdischen gebauten Raumstation zu stehen. Von allen Orten, die ich fotografiert habe, wirkte dieser am fremdartigsten und löste ein Gefühl des Staunens aus. During a maintenance period, I was able to enter the plasma vessel. Its interior had changed fundamentally. The machine’s exposed inner anatomy of connections, pipework and ports, visible in 2013, was now largely concealed behind individually shaped metal panels, whose seams formed an organic-looking network. The areas of copper plate had been covered with graphite elements. A quiet hum from various machines filled the space from every direction. My immediate impression was that I was standing inside a highly advanced space station built by aliens. Of all the places I have photographed, none has seemed so otherworldly or filled me with such a sense of wonder.

Nach den Experimenten von 2017 und 2018 wurde Wendelstein 7-X erneut umfassend umgebaut. Für den Betrieb mit höherer Heizleistung und Plasmaentladungen von bis zu 30 Minuten erhielt die Anlage unter anderem einen neuen Divertor, der Teilchen und Wärme aus dem Plasmarand abführt, mit 120 wassergekühlten Modulen. Für ihn und weitere Komponenten wurden insgesamt 6,8 Kilometer Kühlrohre eingebaut. Following the experiments of 2017 and 2018, Wendelstein 7-X underwent another extensive upgrade. To enable operation at higher heating power and plasma discharges lasting up to 30 minutes, the facility received, among other components, a new divertor comprising 120 water-cooled modules. The divertor removes particles and heat from the edge of the plasma. A total of 6.8 kilometres of cooling pipes were installed for the divertor and other components.

Die Fotografien von 2021 entstanden während dieses Umbaus. Besonders auffällig sind die inzwischen veränderten Oberflächen im Plasmagefäß, die stellenweise violett und bläulich schimmern. Die drei Wendelstein-Serien dokumentieren so über acht Jahre die Entwicklung derselben Anlage: vom offenen Bauwerk über die ersten Betriebskampagnen bis zum Umbau für den Langzeitbetrieb. The photographs from 2021 were taken during this upgrade. Particularly striking are the altered surfaces inside the plasma vessel, which shimmer with violet and bluish hues in places. Together, the three Wendelstein series document the evolution of the same facility over eight years: from an open construction site, through its first experimental campaigns, to the preparations for long-pulse operation.