Wendelstein 7-X: Projekt zum Bau der weltweit stärksten Mikrowellenheizung gestartet

IPP, KIT, die Universität Stuttgart und die Firma Thales entwickeln Gyrotrons mit 2 Megawatt Leistung sowie Methoden zur zuverlässigen Übertragung entsprechend starker Mikrowellenstrahlen.  Die neue Technologie kommt am Fusionsexperiment Wendelstein 7-X zum Einsatz und legt Grundlagen für künftige Fusionskraftwerke. Das Bundesforschungsministerium fördert das Vorhaben mit sechs Millionen Euro.

Das Fusionsexperiment Wendelstein 7-X in Greifswald hat die Aufgabe, die Kraftwerkstauglichkeit des Stellarator-Prinzips unter Beweis zu stellen. Im Wesentlichen wollen die Forschenden am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) zwei Fragen beantworten: Können Stellaratoren wirklich im Dauerbetrieb laufen, wie in der Theorie vorhergesagt? Und lässt sich in den Kernfusionsplasmen von Stellaratoren eine ausreichende Wärmeisolation mit einem ausreichenden Teilcheneinschluss erreichen? Letzteres ist die Grundvoraussetzung für ein zukünftiges funktionierendes Fusionskraftwerk.

In den vergangenen Jahren konnten die Forschenden am IPP wichtige Meilensteine auf diesem Weg erreichen: 2023 erzeugten sie erstmals ein Plasma mit einer Pulslänge von acht Minuten mit hohem Energieumsatz (es wurde also über acht Minuten eine hohe Heizleistung in das Plasma eingebracht und wieder abgeführt). Das für die kommenden Jahre ausgegebene Ziel für die Pulslänge liegt bei 30 Minuten – mit diesen Pulslängen können die wichtigen Fragestellungen für den stabilen Betrieb im physikalischen Gleichgewicht des Plasmas und im thermischen Gleichgewicht der plasmaexponierten Komponenten untersucht und beantwortet werden. Die Grundlagen für den Dauerbetrieb wären erbracht. 2025 erreichte Wendelstein 7-X zudem über eine lange Pulsdauer eine Energieeinschlusszeit (ein Maß für die Wärmeisolation des Plasmas), die davor nur die besten Anlagen nach dem konkurrierenden Tokamak-Prinzip über längere Zeit halten konnten

Mikrowellen sind der wichtigste Heizungstyp an Wendelstein 7-X

Ohne die Elektronen-Zyklotron-Resonanzheizung (ECRH = Electron Cyclotron Resonance Heating) wären diese Erfolge nicht denkbar gewesen. Obwohl Wendelstein 7-X auch mit zwei weiteren Heizungstypen ausgerüstet wurde (Ionen-Zyklotron-Resonanzheizung ICRH und Neutralteilchenheizung NBI), ist die ECRH die wichtigste Heizmethode. Sie erwärmt das Plasma durch Mikrowelleneinstrahlung auf bislang bis zu 40 Millionen Grad Celsius Ionentemperatur und hält solche Temperaturen auch über lange Zeiträume (Pulslängen) aufrecht zu erhalten. Zentraler Baustein einer ECRH ist die Mikrowellenquelle, das sogenannten Gyrotron (siehe unten: Wie funktioniert die ECRH und warum ist sie so entscheidend für Fusionskraftwerke?).

Um die nächsten geplanten Meilensteine in der Stellarator-Forschung mit Wendelstein 7-X zu erreichen und um damit die Voraussetzungen für künftige Fusionskraftwerke zu schaffen, bereiten vier Partner die Elektronen-Zyklotron-Resonanzheizung der nächsten Generation vor: Neben dem IPP sind dies das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie (IGVP) der Universität Stuttgart und der Industriepartner Thales. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) stellt sechs Millionen Euro für das Projekt mit dem Titel HiPMiB (High Power Microwave Beams) bereit. HiPMiB startete im Januar 2026 mit dem IPP als Projektkoordinator. Das Ziel des Projekts ist es, Gyrotrons zu entwickeln, die an Wendelstein 7-X Weltrekord-Heizleistungen von zwei Megawatt erzeugen und damit als Grundlage für Heizsysteme in zukünftigen Fusionskraftwerken dienen können. Ein solches Gyrotron liefert dann die Leistung von etwa 2000 Haushaltsmikrowellen bei Frequenzen, die nochmals ungefähr 50-mal höher sind. 

Neben der Erzeugung von Hochleistungsmikrowellen beschäftigt sich das Projekt auch mit ihrer Übertragung. Die Verdopplung der Strahlleistung auf zwei Megawatt stellt auch eine Herausforderung an die Übertragung. Hier soll das bestehende Wendelstein 7-X-Übertragungssystem von einem Megawatt auf zwei Megawatt Einzelstrahlleistung ertüchtigt werden. Das IGVP Stuttgart bringt dabei als Projektpartner die Erfahrungen ein, die er in der Vergangenheit bei der Entwicklung des Übertragungssystems für Wendelstein7-X gesammelt hat.

Warum Zwei-Megawatt-Gyrotrons?

Derzeit sind an Wendelstein 7-X elf Gyrotrons installiert, deren Ausgangsleistungen von betagten Prototypen aus dem Jahr 1999 (ca. 0,6 Megawatt) bis hin zum aktuellen Rekordhalter mit 1,3 Megawatt reichen. Doch für das ultimative Ziel der Anlage – den Nachweis, dass das optimierte Stellarator-Konzept reaktorrelevante Plasmazustände stabil halten kann – reicht dies nicht aus. Für die Physiker ist hier die Größe normierter Plasmadruck entscheidend, die als sogenannter Beta-Wert in Prozent angegeben wird. 

Der Plasmadruck ist definiert als das Verhältnis zwischen dem thermischem Plasmadruck und dem Magnetfelddruck, der von außen aufgebracht werden muss, um das Plasma zusammenzuhalten. Da man für die Fusion einen möglichst hohen Druck aufrechterhalten will und das extern erzeugte Magnetfeld aus Kostengründen möglichst klein bleiben soll, ist man insgesamt an einem hohem Beta-Wert interessiert.

Für ein kraftwerksrelevantes Plasma in Wendelstein 7-X müssen Werte von vier bis fünf Prozent erreicht werden, um schnelle Ionen einzuschließen zu können. In einem Kraftwerk sind das schnelle Helium-Kerne, die als Fusionsprodukt im Plasma entstehen. „Wir gehen davon aus, dass wir für diesen Zustand eine Heizleistung von insgesamt bis zu 30 Megawatt brauchen“, erklärt HiPMiB-Projektleiter Dr. Heinrich Laqua vom IPP. „Den größten Teil soll die ECRH liefern, einen deutlich kleineren die Neutralteilchenheizung.“

Da Wendelstein 7-X nur über zwölf Gyrotron-Positionen verfügt, ist eine Leistungssteigerung pro Mikrowellenstrahl auf zwei Megawatt der einzige wirtschaftlich und technisch gangbare Weg, um dem 30-Megawatt-Ziel nahe zu kommen. „Jede zusätzliche Sendeeinheit würde unabhängig von ihrer Leistung etwa zehn Millionen Euro kosten. Wir bräuchten dafür ein neues Gebäude, weitere Tunnel für die Übertragung und eine massive Erweiterung der Hochspannungsversorgung. Wir sparen also deutlich an Kosten, wenn wir stattdessen stärkere Gyrotrons für die verfügbaren Plätze entwickeln“, sagt Dr. Laqua.

Das Zusammenspiel der vier Partner

Die vier Partner werden sich dabei die Aufgaben folgendermaßen aufteilen:

• Das KIT verfügt europaweit über die größte Kompetenz in der Mikrowellen-Technologie und wird deshalb zunächst ein Hochleistungs-Gyrotron für kurze Pulse im Labor erproben und konstruieren. Hier wird eine wesentliche Aufgabe die Kühlung der Gyrotrons sein: Die Belastung der Resonatorwände ist mit etwa 20 Megawatt pro Quadratmeter extrem hoch und stößt an die technischen Grenzen der Wasserkühlung für Kupfer. Im Projekt wird daher an einer Mikrokanal-Kühlung gearbeitet, um den Wärmeübergang zu verbessern.
• Die Firma Thales wird auf dieser Grundlage einen Demonstrator mit zweiMegawatt Ausgangsleistung industriell fertigen, der für Pulslängen von einer halben Stunde geeignet ist. Das IGVP der Universität Stuttgart und das IPP kümmern sich schwerpunktmäßig um die Technologie zur Übertragung der Mikrowellen vom Gyrotron ins Vakuumgefäß von Wendelstein 7-X. Bei langen Pulsen oberhalb von fünf Minuten gab es in der Vergangenheit Probleme durch überhitzte Komponenten und verschmorte Dichtungsringen an Vakuumschiebern. Die Übertragung erfolgt quasi-optisch über Spiegel. Um die Leistungsdichten und damit die Belastung an den Komponenten zu senken, werden die Brennweiten der Spiegel optimiert. Die Mikrowellenstrahlen werden dadurch verbreitert. Zudem wollen die Forschenden die Klimatisierung der Übertragungsleitungen durch trockene, kalte Luft verbessern. Eine weitere Aufgabe: die Entwicklung einer speziellen Diagnostik zur schnellen Erkennung von atmosphärischen Überschlägen bei der Wellenübertragung.

„Für das komplexe Projekt ist eine Laufzeit von drei Jahren geplant, was sehr ambitioniert ist“, sagt Heinrich Laqua. Am Ende soll Mikrowellentechnologie entstehen, die für künftige Fusionskraftwerke unverzichtbar ist. Diese Technologien werden Wendelstein 7-X in die Lage versetzen, die Kraftwerkstauglichkeit von Stellaratoren zu beweisen.

 

Wie funktioniert die ECRH und warum ist sie so entscheidend für Fusionskraftwerke?

Die Elektronen-Zyklotron-Resonanzheizung (ECRH) ist ein Verfahren zur Erwärmung von Fusionsplasmen mittels hochfrequenter Mikrowellenstrahlen. Das Herzstück der ECRH ist das Gyrotron, eine spezielle Mikrowellenröhre, die als Sender fungiert. Im Inneren des Gyrotrons wird ein ringförmiger Elektronenstrahl durch eine Elektronenkanone erzeugt und in einen sogenannten Resonator geleitet, der sich in einem starken Magnetfeld befindet. Die Elektronen bewegen sich dort auf Kreisbahnen um die Magnetfeldlinien (Gyration). 

Die Stärke des Magnetfelds im Resonator bestimmt die Resonanzfrequenz, die der Kreisfrequenz der Elektronen entspricht. Die Elektronen geben einen Teil ihrer kinetischen Energie in Form von Mikrowellen ab und verstärken so die Welle im Resonator. Vergleichbar ist das mit dem eingeblasenen Luftstrom in einer Flöte, der sich durch Resonanz zu einem hörbaren Ton verstärkt.

Damit die Mikrowellen das Plasma in Fusionsanlagen heizen können, muss ihre Frequenz auf das Magnetfeld der Anlage abgestimmt sein. Als Faustformel gilt: 28 Gigahertz pro Tesla Magnetfeldstärke, wobei auch der Betrieb auf ganzzahligen Vielfachen davon – sogenannten Harmonischen oder Oberschwingungen – möglich ist. Bei Wendelstein 7-X (2,5 Tesla Magnetfeldstärke) wird mit der ersten Oberschwingung oder zweiten Harmonischen, also 140 Gigahertz, geheizt. Die zweite harmonische Resonanz bezeichnet den Fall, wenn die Mikrowellenfrequenz doppelt so hoch ist wie die Elektronen-Zyklotron-Frequenz.

Die Elektronenheizung ist im Vergleich zu den anderen Heizungstypen (Neutralteilchenheizung und Ionen-Zyklotron-Heizung) besonders kraftwerksrelevant. Denn in einem Fusionskraftwerk mit einem brennenden, also selbstheizenden Plasma geben schnelle Heliumkerne, die bei jeder Fusionsreaktion entstehen, ihre Energie hauptsächlich an Elektronen weiter. Diese heizen dann wiederum die Ionen auf. Die ECRH stellt also Bedingungen her, die einem Kraftwerksplasma sehr ähnlich sind. 

Außerdem sprechen auch technische Gründe für ihre Eignung für ein Fusionskraftwerk: Die Gyrotrons können außerhalb des Reaktorgebäudes aufgestellt werden, denn die Mikrowellenübertragung ist sehr effizient. Die Antennen im Plasmagefäß können zudem den harten Reaktorbedingungen standhalten.

Frank Fleschner