MAST Upgrade: Grossbritanniens nächster Schritt zur Fusionsenergie

In Culham nahe Oxford treibt das Vereinigte Königreich still die nächste Stufe einer ambitionierten Fusionsstrategie voran. Dabei setzt es auf einen kugelförmigen Tokamak, der Plasma nicht als empfindliche Flamme betrachtet, sondern als Material, das sich formen, verdrehen und kontrollieren lässt.

Vom Campus in Culham in eine neue Ära der Fusionsforschung

Ende 2025 startete der Mega Amp Spherical Tokamak Upgrade – kurz MAST Upgrade – in seine fünfte grosse wissenschaftliche Kampagne. Für die britische Atomenergiebehörde UKAEA ist dies ein Wendepunkt. Über einen Zeitraum von etwa sechs Monaten wollen mehr als 200 Forschende aus rund 40 Instituten nahezu 950 kurze Plasmaentladungen, sogenannte Pulse, in der Anlage erzeugen.

Jeder dieser Pulse dauert nur wenige Sekunden. Während dieser kurzen Zeit steigen die Temperaturen über jene im Sonnenkern. Magnetfelder versuchen, die wirbelnden geladenen Teilchen einzuschliessen, die in alle Richtungen entweichen wollen. Zugleich sind die Wände Wärmelasten ausgesetzt, die die meisten Metalle sofort schmelzen liessen.

MAST Upgrade soll keine Haushalte mit Strom versorgen. Sein Ziel ist es, Plasma so lange extremen Belastungen auszusetzen, bis es die Geheimnisse preisgibt, die Fusionskraftwerke erst möglich machen.

Genau darin liegt die eigentliche Aufgabe von Culhams „Plasmamonster“: Es erzeugt heute keinen Strom, sondern untersucht die hauchdünne Grenze zwischen Kontrolle und Chaos im Inneren eines Fusionsreaktors.

Mehr Leistung für MAST Upgrade: Heizung aufrüsten

Verdopplung der Heizleistung

Die fünfte MAST-Upgrade-Kampagne bringt einen Hardware-Sprung, mit dem die Anlage deutlich härter betrieben werden soll als bisher. Ingenieurinnen und Ingenieure ergänzen zwei weitere Neutralteilcheninjektoren; damit soll sich die verfügbare Heizleistung zwischen 2026 und 2027 ungefähr verdoppeln.

Neutralteilchenstrahlen wirken wie Rammböcke für Plasma. Energiereiche Atome treffen auf das Plasma, übertragen ihre Energie und helfen dabei, Ströme in der Maschine anzutreiben. Höhere Strahlleistung ermöglicht heisseres und dichteres Plasma – und damit Bedingungen, die stärker dem extremen Bereich entsprechen, den ein kommerzieller Reaktor aushalten müsste.

Es bleibt nicht bei dieser Erweiterung. Ein neues Heizsystem mit Elektronen-Bernstein-Wellen (EBW) soll Hochfrequenzwellen einspeisen, die direkt an die Elektronen des Plasmas koppeln, ohne eine herkömmliche Sichtlinie zu benötigen. Praktisch bedeutet das, dass Forschende Energie gezielt an den gewünschten Ort bringen können, selbst in Bereiche, die mit üblichen Mikrowellenkonzepten schwer erreichbar sind.

Indem sie formt, wo und wie Energie in das Plasma gelangt, macht die EBW-Heizung MAST Upgrade zu einem Präzisionswerkzeug zum Gestalten von Plasmaprofilen – und nicht bloss zum Aufheizen.

Die Kombination aus Neutralteilchenstrahlen und EBW ermöglicht anspruchsvollere Versuche: steilere Druckgradienten, präziser ausgeprägte Stromprofile und realistischere Bedingungen für Anlagen der nächsten Generation.

Warum ein kugelförmiger Tokamak anders aussieht

Kompakte Geometrie bei hohem Druck

MAST Upgrade ist kein klassischer ringförmiger Tokamak wie ITER oder JET. Als kugelförmiger Tokamak ähnelt er eher einem entkernten Apfel als einem Donut. Diese Bauform erlaubt einen höheren Plasmadruck im Verhältnis zum Magnetfeld und könnte zumindest theoretisch kompaktere sowie potenziell günstigere Reaktoren ermöglichen.

Diese Geometrie verlangt jedoch Kompromisse. Bauteile nahe der zentralen Säule sind enormen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Auch Wartungszugänge sind komplizierter. Der mögliche Gewinn sind Reaktoren mit geringerem Platzbedarf, die weniger kostspielige Magnete benötigen als riesige Vorzeigeanlagen.

Schon in der vorherigen Kampagne erzielte MAST Upgrade eine Weltpremiere: Mit dreidimensionalen Magnetspulen wurden Plasmainstabilitäten in Echtzeit gelenkt und gedämpft. Das Ergebnis deutete darauf hin, dass kugelförmige Tokamaks nicht nur kleiner sein könnten, sondern sich auch agiler steuern lassen.

Die Rolle von MAST im weltweiten Fusionsökosystem

Die britische Anlage gehört zu einem dichten Netz von Fusionsforschungsanlagen, von denen jede einen anderen Teil des Gesamtproblems untersucht.

Anlage	Land	Hauptschwerpunkt 2026
ITER	International (Frankreich)	Tokamak im industriellen Massstab, Demonstration von Energiegewinn
JT-60SA	Japan / Europa	Lang andauernde Plasmen und Unterstützung für ITER
MAST Upgrade	Vereinigtes Königreich	Physik kugelförmiger Tokamaks, fortschrittliche Divertorkonzepte
WEST	Frankreich	Materialbeständigkeit, Wolframdivertor unter dauerhafter Wärmebelastung
EAST	China	Sehr lange Pulse und Betrieb bei hohen Temperaturen

Statt direkt gegeneinander anzutreten, tauschen diese Maschinen Daten aus und stimmen ihre Forschungsziele oft aufeinander ab. Die Nische von MAST Upgrade ist klar: Die Anlage erprobt risikoreiche, innovative Konfigurationen, die grosse und nur langsam umbaubare Reaktoren sich nicht leisten können.

Vier harte Fragen an das Plasma

1. Wie stark lässt es sich verdichten?

Hochdruckplasmen sind entscheidend, wenn die Leistungsabgabe relevant sein soll. Mehr Druck bedeutet im Allgemeinen mehr Fusionsreaktionen pro Volumeneinheit. Bei MAST Upgrade wollen Forschende diese Grenzen ausloten und dabei beobachten, wie das Plasma reagiert – insbesondere in der Randzone, in der Turbulenzen und Instabilitäten entstehen.

Die Schwierigkeit besteht darin, dass höherer Druck häufig heftige Instabilitäten auslöst. Diese können Wärme auf die Wände abladen, das Plasma zum Erlöschen bringen oder Komponenten beschädigen. In den Experimenten werden unterschiedliche Magnetformen und Heizabläufe geprüft, um festzustellen, welche Kombinationen am längsten stabil bleiben.

2. Kann Kontrolle das Chaos besiegen?

Selbst der beste magnetische Käfig verliert Teilchen, wenn Schwankungen die Oberhand gewinnen. Deshalb steht die Steuerung im Mittelpunkt der neuen Kampagne. Die Teams werden Versuche durchführen, die gefährliche Modi absichtlich auslösen, und sie anschliessend unterdrücken mit:

• dreidimensionalen Magnetfeldern, die das Plasma von instabilen Formen weglenken,
• schnellen Änderungen bei Heiz- und Brennstoffzufuhrmustern,
• Echtzeit-Rückkopplungssystemen auf Basis fortschrittlicher Diagnostik.

Das Ziel ist kein perfektes Plasma. Gefordert ist ein Plasma, das sich auf vorhersehbare Weise auffällig verhält, sodass Algorithmen reagieren können, bevor etwas beschädigt wird.

3. Welches Abgassystem kann überleben?

Fusionskraftwerke benötigen nicht nur einen heissen Kern. Sie brauchen auch ein Abgassystem, das Wärme und Teilchen abführt, ohne sich selbst durch Erosion zu zerstören. Diese Aufgabe übernimmt der Divertor, ein Bereich am unteren Ende der Anlage, in dem Magnetfeldlinien verbrauchtes Plasma auf Schutzplatten lenken.

Heutige Divertoren sind gross und technisch aufwendig. MAST Upgrade untersucht kompaktere „Divertorgeometrien“, die Wärmelasten verteilen und zugleich weniger Raum beanspruchen. Ein besserer Divertor könnte kleinere Reaktoren, einfachere Wartung und niedrigere Kosten ermöglichen.

Ein Fusionskraftwerk ohne robusten Divertor zu konstruieren, ist wie ein Strahltriebwerk ohne Turbinenschaufel zu bauen, die den Abgasstrom übersteht.

4. Können Computer den nächsten Puls vorhersagen?

Der Betrieb eines grossen Tokamaks verursacht pro Entladung erhebliche Kosten. Daher investieren UKAEA und ihre Partner stark in numerische Modelle, die das Verhalten des Plasmas vor dem nächsten Experiment simulieren. In dieser Kampagne dient MAST Upgrade als Realitätsprüfung für diese Programme.

Die Forschenden vergleichen Modellprognosen mit realen Daten aus fast tausend Pulsen: Dichten, Temperaturen, magnetischen Schwankungen, Wärmelasten am Divertor und Randturbulenzen. Maschinelle Lernwerkzeuge beginnen, diesen Datensatz auszuwerten. Langfristig sollen KI-gestützte Steuerungssysteme Einstellungen noch während eines Pulses anpassen.

Vom „Physikspielplatz“ zum Prototyp eines Kraftwerks

Direkte Verbindung zum britischen STEP-Projekt

MAST Upgrade ist kein isoliertes Wissenschaftsspielzeug. Die Anlage liefert unmittelbar Erkenntnisse für STEP, das britische Programm Spherical Tokamak for Energy Production, das in den 2040er-Jahren ein Fusionskraftwerk als Prototyp anstrebt. Viele Systeme, die heute in Culham getestet werden, werden morgen die Konstruktionsentscheidungen von STEP beeinflussen.

Dazu gehören Divertoranordnungen, Heizkonfigurationen, Steuerungsstrategien und Annahmen über zulässige Wärmelasten auf Bauteile. Jede unerwartete Instabilität und jeder kleinere Ausfall senkt das Risiko milliardenschwerer Fehlentscheidungen, wenn die Hardware vergrössert wird.

Die Stilllegung von JET Ende 2023 verlagerte den Schwerpunkt der britischen Fusionsforschung. MAST Upgrade bildet nun einen zentralen Anker der öffentlichen Tokamakforschung des Landes, während private Unternehmen auf kompakte Kraftwerkskonzepte und Hochfeldmagnete setzen. Das Vereinigte Königreich versucht, seine lange Fusionstradition in industrielle Fähigkeiten zu überführen – nicht nur in akademisches Ansehen.

Wie MAST Upgrade im Vergleich zu WEST und anderen Anlagen abschneidet

MAST Upgrade und der französische Tokamak WEST werden häufig gemeinsam genannt, doch ihre Aufgaben unterscheiden sich deutlich. WEST, der auf einer älteren Anlage namens Tore Supra aufgebaut wurde, konzentriert sich auf eine zentrale Frage: Können Wolframdivertoren kontinuierliche Wärmeströme überstehen, wie sie in Reaktoren der ITER-Klasse erwartet werden – und zwar jeweils über Hunderte von Sekunden?

MAST Upgrade hingegen:

• betreibt kürzere Pulse und fokussiert sich auf Plasmaform und -steuerung statt ausschliesslich auf Dauerfestigkeit,
• nutzt eine kugelförmige Geometrie, um Hochdruckbereiche zu untersuchen,
• dient als Testplattform für alternative Divertordesigns statt für langfristige Materialermüdung.

Weitere Anlagen setzen eigene Akzente. EAST in China zielt auf sehr lange Pulse und hohe Temperaturen. KSTAR in Südkorea erforscht fortschrittliche Steuerung und stabilen Dauerbetrieb. Wendelstein 7-X in Deutschland verlässt das Tokamakmodell vollständig und nutzt ein Stellarator-Design, um einen stabilen Einschluss ohne starken Plasmastrom zu erreichen.

Das weltweite Bild wirkt unübersichtlich, doch genau das ist teilweise beabsichtigt: Niemand weiss exakt, welche Kombination aus Geometrie, Materialien und Steuerung das erste wirtschaftlich tragfähige Fusionskraftwerk hervorbringen wird. Vielfalt verringert das Risiko, dass die gesamte Branche in derselben Sackgasse landet.

Risiken, Realität und Nebeneffekte

Die Fusionsenergie ist weiterhin mit erheblichen wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Risiken verbunden. Anlagen wie MAST Upgrade beweisen nicht, dass kommerzielle Fusion pünktlich oder im grossen Massstab verfügbar sein wird. Sie zeigen vielmehr, wie viele Hindernisse noch bestehen: Randinstabilitäten, Materialermüdung von Komponenten, komplizierte Wartung, hohe Investitionskosten und regulatorische Fragen.

Gleichzeitig prägen die Ausgründungen bereits andere Bereiche. Hochleistungs-Hochfrequenzsysteme, schnelle Steuerelektronik, fortschrittliche Datenanalyse und Vakuumtechnik gelangen aus Fusionslaboren in Medizin, Halbleiterfertigung und Raumfahrttechnik. Das Wissen über extreme Magnete und Kryotechnik fliesst in Teilchenbeschleuniger der nächsten Generation und Quantenbauteile ein.

Ein weiterer Aspekt, den es zu beobachten gilt, ist die wachsende Bedeutung digitaler Zwillinge. Mit den zunehmend detaillierten Messungen von MAST Upgrade können Teams hochpräzise virtuelle Abbilder der Anlage erstellen. Diese Zwillinge erlauben es Ingenieurinnen und Ingenieuren, neue Divertorkonzepte zu erproben, KI-Steuerungen zu testen und Fehlerszenarien durchzuspielen, die an der realen Maschine zu riskant wären.

Ein weiterer Blickwinkel betrifft den Brennstoff. Die meisten grossen Projekte, einschliesslich STEP, gehen von Deuterium-Tritium-Brennstoff aus, der Neutronen erzeugt, welche auf die Reaktorwände einwirken. Die Arbeit in Culham und andernorts hilft zu bestimmen, wie dick diese Wände sein müssen, wie schnell sie altern und welche Brutkonzepte erforderlich sind, um Tritium vor Ort zu erzeugen. Diese Werte beeinflussen nicht nur die Physik, sondern auch die langfristige Wirtschaftlichkeit und die Abfallprofile künftiger Anlagen.