Der lange Weg zum Fusionsreaktor


Mit der Kernfusion verbindet sich das jahrzehntealte Versprechen einer unerschöpflichen und umweltfreundlichen Energiequelle, emissionsfrei und ohne die Langzeitstrahlung gängiger Kernkraftwerke. Die Grundidee ist denkbar einfach: Wie in der Sonne sollen Wasserstoff-Atome zu Helium verschmelzen, wobei enorme Energiemengen freigesetzt werden. Fusionsforscher hoffen, in Großanlangen solche Sonnen-Bedingungen auch auf der Erde nachzubauen.

Andererseits werden diese Versprechen seit ungefähr sechs Jahrzehnten wiederholt, und es gibt immer noch keinen Forschungsreaktor, der mehr Energie produziert als verbraucht. Interessanterweise wird ein solcher Reaktor immer ‘in fünfzig Jahren’ versprochen – egal, wann, man gefragt hat. Im Moment liegt die Prognose für ein solches Kraftwerk, das diesen Namen auch verdient, laut vorsichtiger Schätzungen ungefähr um Jahr 2060. Und über das Fusions-Großexperiment ITER hört man zumeist nur Meldungen über massive Verzögerungen und Kostenexplosionen. Wo steht also die Fusionsforschung heute? Irgendwo zwischen euphorischen Werbetexten und komplizierten Realitäten.

Fusion of deuterium with tritium creating helium-4, freeing a neutron, and releasing 17.59 MeV of energy, Credit: Wykis, Public Domain

Durch die Fusion eines Deuterium-Atomkerns mit einem Tritium-Kern entsteht Helium-4, dabei werden ein Neutron und thermische Energie freigesetzt. Ein Deuterium-Tritium-Gemisch ist der geplante Brennstoff für künftige Fusionsreaktoren. Credit: Wykis, Public Domain

Letzten Monat wurde ein erfolgreicher Start der Wendelstein 7-X Anlage als großer Erfolg der Fusionsforschung gefeiert. Doch auch dieses Experiment ist weit davon entfernt, Energie zu produzieren, ganz im Gegenteil: Das Aufheizen des Plasmas auf über 100 Millionen Grad Celsius und die Kühlung der Magnetspulen auf Supraleitfähigkeit verschlingen Unmengen Energie. Worin besteht also der große Durchbruch, der im Dezember 2015 weltweit beachtet wurde? Zunächst müssen hier einige Grundbegriffe und Eigenheiten der Fusionsforschung erklärt werden.

Physiker sprechen von ‘Plasma’ als dem vierten Aggregatzustand, neben den klassischen Zuständen fest, flüssig und gasförmig. Er entsteht, wenn Gase soweit erhitzt werden, dass sich die äußeren Elektronen von den Atomen oder Molekülen lösen, wodurch eine große Zahl geladener Teilchen entsteht: Diese machen das Plasma elektrisch leitfähig. Die Leitfähigkeit wiederum ermöglicht den Einschluss des Plasmas innerhalb eines Magnetfeldes. Ein solcher Einschluss ist nötig, denn heißes Plasma darf die Innenwände eines Experiment-Reaktors nicht berühren: es kühlt dann schlagartig ab und der Versuch ist vorbei. Nur die leichten Elemente des Periodensystems geben Energie ab, wenn ihre Kerne fusionieren (Elemente leichter als Eisen), die schweren Elemente hingegen absorbieren bei einer Kernfusion Energie. Umgekehrt wird nur bei der Kernspaltung schwerer Elemente Energie freigesetzt – das geschieht in den existierenden Kernkraftwerken.

Seit den Anfängen der Fusionsforschung haben sich zwei verschiedene Bauweisen durchgesetzt: der Tokamak- und der Stellarator-Typ. Die Ideen für den Tokamak stammen aus der Sowjetunion, für den Stellarator aus Princeton, USA. Beide Typen sehen torusförmig aus, doch im Tokamak ist das Magnetfeld innen im Torus stärker als außen, weshalb geladene Teilchen nach außen streben und sogar entweichen könnten, was das ganze Experiment instabil macht. Um die Teilchen innerhalb des Torus zu halten, muss das Plasma ‘verdrillt’ werden, was mit Hilfe eines Stroms erreicht wird, der direkt durch das Plasma geleitet wird. Dieser Strom setzt wiederum eine ganze Reihe Effekte in Gang, die das Plasma ebenfalls instabil machen. Deshalb können Tomakak-Anlagen bislang nur kurze Zeit am Stück laufen. Doch die größten und leistungsfähigsten Fusions-Anlagen funktionieren nach dem Tokamak-Prinzip, so auch der in Bau befindliche ITER.

Der Forschungs-Tokamak ASDEX Upgrade am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching. Foto: MPI-PP

Der Forschungs-Tokamak ASDEX Upgrade am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching. Weltweit gibt es zurzeit 24 Tokamaks, manche davon befinden sich noch im Bau, und sechs Stellaratoren (Liste). Foto: MPI-PP

Der Stellarator-Typus löst hingegen das Problem der nach außen driftenden Partikel durch eine innovative Bauweise: Der Torus ist in sich so stark verdreht und gekrümmt, dass jeder Plama-Partikel sich mal an der Innenseite, mal an der Außenseite befindet. Durch dieses Design entsteht gleichzeitig eine stabilisierende ‘Verdrillung’ des Plasmas. Im Stellarator muss also kein Strom durchs Plasma fließen, er kann im Prinzip dauerhaft in Betrieb sein. Allerdings gibt es im heißen Plasma noch viel mehr Effekte als den Drift nach außen und die erwünschte Verdrillung. All diese Effekte müssen bei in einem innovativen Reaktor-Design berücksichtigt werden, um eine längere Laufzeit zu ermöglichen – und dem Endziel, der Energiegewinnung, ein Stück näher zu kommen.

Für die Forscher des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Greifswald muss das ‘first plasma’ in ihrem Wendelstein 7-X Experiment am 10. Dezember 2015 wie ein vorgezogenes Weihnachtsgeschenk gewesen sein: Für eine Zehntelsekunde konnten sie Helium-Plasma bei einer Temperatur von 100 Millionen Grad in einem Stellarator-Magnetfeld stabil halten. Vorher mussten die Magnetspulen auf supraleitende Temperaturen gekühlt werden, während das Helium im Vakuumgefäß stark erhitzt wurde. “Wir beginnen mit einem Plasma aus dem Edelgas Helium”, erklärt Prof. Thomas Klinger, der Projektleiter. “Erst im nächsten Jahr wechseln wir zu dem eigentlichen Untersuchungsobjekt, einem Wasserstoff-Plasma, denn mit Helium ist der Plasmazustand leichter zu erreichen.” In den nächsten Jahren soll vor allem das Stellarator-Magnetfeld getestet werden, Fusions-Experimente sind vorerst nicht geplant.

Schematische Darstellung des Magnetspulensystems (blau) und des Plasmas (gelb) des Kernfusions-Experiments Wendelstein 7-X. Credit: MPI-PP, CCL 3.0

Schematische Darstellung des Magnetspulensystems (blau) und des Plasmas (gelb) des Fusions-Experiments Wendelstein 7-X. Credit: MPI-PP, CCL 3.0

Eine der 50 supraleitenden Magnetspulen Wendelstein 7-X vor der Montage. Die Spule hat einen Durchmesser von ca. 3,5 Metern und ein Gewicht von 6 tonnen. Foto: Bernd vdB, CCL 3.0

Eine der 50 supraleitenden Magnetspulen von Wendelstein 7-X vor der Montage. Die Spule hat einen Durchmesser von ca. 3,5 Metern und ein Gewicht von 6 Tonnen. Foto: Bernd vdB, CCL 3.0

Das ITER-Experiment wird zurzeit neben dem Atomforschungszentrum in Cadarache in Südfrankreich gebaut; die Abkürzung steht für ‘International Thermonuclear Experimental Reactor’. Die Bauherren sind sieben internationale Partner: die Europäische Union, Russland, die USA, China, Japan, Indien und Südkorea. Im Jahr 2005 hieß es noch, dass ITER ungefähr 5 Milliarden Euro kosten sollte, aber bereits fünf Jahre später war von 15 Milliarden Euro die Rede, mit einer Aussicht auf ‘first plasma’ im Jahr 2027. Inzwischen wird mit weiteren Kostensteigerungen und Verzögerungen gerechnet. Damit bekommt ITER die unrühmliche Auszeichnung, die teuerste terrestrische Forschungskooperation aller Zeiten zu sein – nur die Internationale Raumstation ISS ist teuerer.

Wie konnte es dazu kommen? Im Jahr 2013 veröffentlichte Prof. William Madia, selbst ein anerkannter Fusionsforscher, einen internen Bericht über die ITER-Managementfehler. Er und sein Team kommen zu dem Schluss, dass vor allem nationale Egoismen und eine nur schwach ausgeprägte Bündelung von Autorität für die Probleme der Vergangenheit verantwortlich waren. So werden zum Beispiel die supraleitenden Kabel in sechs verschiedenen Ländern produziert und anschließend nach Südfrankreich transportiert – das ginge deutlich effektiver mit einer Produktion vor Ort. Doch es gibt eine Vorgeschichte: Eigentlich hatte die EU den Zuschlag für die Kabelproduktion bekommen. Um sich gegenseitig keine Konkurrenz zu machen, schlossen sich alle Produzenten in ein Konsortium zusammen und wollten der ITER-Leitung die Preise diktieren. Als Reaktion spaltete diese den Auftrag in sechs Einzelaufträge – dann waren wieder die einheimischen Industrie-Lobbyisten am Zug.

The Tokamak Pit at the ITER site in December 2015: The walls of the Tokamak Building are rising and 70 percent of columns are in place. Photo: ITER

Die ITER-Baustelle im Dezember 2015: 70 Prozent der Betonsäulen sind gegossen, und die Wände des Tokamak-Gebäudes werden ebenfalls hochgezogen. ‘Iter’ heißt auf Latein ‘der Weg’, und nach langem Vorlauf wird das ITER-Großexperiment nun endlich gebaut. Foto: ITER Organization

Die ITER-Leitung hätte den Madia-Bericht gerne geheim gehalten, aber er fand seinen Weg in die Öffentlichkeit. Er endet mit 11 Empfehlungen, darunter die Forderung nach einem neuen Generaldirektor. In dieser Position begann nun der Franzose Bernard Bigot im März 2015 mit dem ITER-Bürokratieabbau – und in Cadarache wird endlich gebaut, jahrelang gab es hier nur eine große Brachfläche, dann eine Bodenplatte. In der Vergangenheit haben diese Verzögerungen und Kostensteigerungen zwar für schlechte Presse gesorgt, doch all diese Probleme sind letztlich politische Probleme und können kaum der Fusionsforschung selbst angelastet werden.

Vorläuferstudien für ITER wurden in England am Joint European Torus (JET) in Culham, Oxfordshire durchgeführt. Wichtige Details wie die Beryllium-Beschichtung der Kacheln im Vakuumgefäß, oder der ‘Staubsauger’, mit dessen Hilfe überzählige Helium-4-Atome abgesaugt werden, stammen ursprünglich aus der JET-Anlage. Bereits 1997 erzielte sie einen Weltrekord, indem hier 16 Megawatt thermische Energie erzeugt wurden, während 24 MW nötig waren, um das Experiment zu starten. Das sind immerhin rund 66 Prozent: sicherlich nicht perfekt, aber es tut sich was in der Fusionsforschung. Schon seit 2003 wird in Culham mit radioaktivem Tritium experimentiert, ab 2018 sollen Versuchsreihen mit einem Deuterium-Tritium-Gemisch starten – der Brennstoff, aus dem auch die ITER-Träume sind.

Während sich also die Öffentlichkeit noch über Kostensteigerung und Managementfehler bei ITER aufregt, kommt die praktische Fusionsforschung langsam aber sicher in Fahrt.

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8 Kommentare zu “Der lange Weg zum Fusionsreaktor”

  1. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Anstatt Tokomak oder Stellaratoren werden wohl eher Laserfusion oder Magnetized Liner Inertial Fusion das Rennen als Stromlieferanten machen, denn für die Energieproduktion geeignete Tokomaks und Stelleratoren müssten riesengross sein wie der Artikel Drei Faktoren für Fusionsenergie festhält. Sind Fusionsreaktoren, die auf dem Prinzip des magnetischen Einschluss eines Plasmas arbeiten, nicht gross genug, so verliert das superheisse Plasma zu schnell zu viel Energie.

    Ein genügend kleiner Fusionsreaktor hätte sehr viele Anwendungsmöglichkeiten und könnte praktisch überall eingesetzt werden, weil er kaum Nachschub braucht und keine langdauernd radioaktiven Abfall produziert. Bei 1 Gigawatt an Leistung (kann 1 Million Haushalte mit Strom versorgen) genügen einige hundert Kilogramm Brennstoff pro Jahr und der dabei erzeugte radioaktive Abfall (Tritium) ist nach 100 Jahren fast vollständig zu normalem Wasserstoff zerfallen.
    Kleine Fusionsreaktoren wären deshalb ideal sowohl für Weltraumhabitate, als auch als Antrieb für grossse Schiffe, ja einfach für alles.
    Dieses Versprechen der unerschöpflichen Energiequelle, das die Fusion abgibt, ist nicht ohne Wirkung geblieben. In den USA wird von den dortigen Silicon-Milliardären (Jeff Bezos, Peter Thiel, Larry Page) mehr Geld in die private Fusionsforschung investiert als in die Forschung für neue Kernspaltungsreaktoren. All diese privat finanzierte Forschung basiert auf anderen Konzepten als dem langanhaltenden magnetischen Einschluss von Plasma. Die Aussichten auf Erfolg der meisten alternativen Methoden zur Fusion sind nicht besonders gross, allerdings insgesamt auch nicht kleiner als die Aussichten auf ein kommerzielles Kraftwerke vom Typ Tokamak oder Sterllarator noch in diesem Jahrhundert.

    • Karl Bednarik Antworten | Permalink

      Tritium ist ein Betastrahler und zerfällt zu Helium-3.
      Tritium und Helium-3 sind gute Fusionsbrennstoffe.

  2. HG Zimmer Antworten | Permalink

    Als ich im Jahre 1978 als junger Student bei einer Besichtigung in den Forschungseinrichtungen in Jülich war, war der Kommentar der dortigen Wissenschaftler, dass man demnächst in der nächsten Ausbaustufe der Fusionsreaktoren viel weiter kommen würde. Es könne höchstens noch 10 Jahre allenfalls 15 bis zum Durchbruch dauern. Es gäbe nur noch ein paar Probleme mit den Plasma- Wand Reaktionen.
    Heute ist meine ganz persönliche Meinung, dass enorm viel Geld in dieser Forschung versenkt wird. Vor dem Hintergrund unserer Situation mit den Banken und auf der auf Zinsen basierenden Misswirtschaft in der Welt, sind die Summen für die Forschung in der Kernfusion natürlich zu vernachlässigen. Das muß man natürlich zugestehen.
    Aber es gibt noch einen Aspekt, den man nicht vernachlässigen sollte, und der üblicherweise keine Erwähnung findet. Es ist die geplante Hybris gegenüber der Natur und der erschreckende Wille so weitermachen zu wollen wie bisher, der sich durch die Verwendung der Fusion manifestiert. Wir haben auf der Erde genügend Sonne und Wind, um unsereren Energiehunger zu befriedigen. Die Anstrengungen der Menschheit sollten in diese Richtung fokussiert werden. Es ist nicht erforderlich und nicht wünschenswert ökologisch, ökonomisch, existenziell und auch in Bezug auf unsere Kultur und in Bezug auf unsere geistige Haltung der Erde gegenüber, auf die Karte der Kernfusion zu setzen. Wir müssen und sollten nicht dieser Schimäre nachrennen.
    Aus meiner Sicht sollte also die Forschung an dieser Stelle stark hinterfragt werden. Es ist zumindest mittelfristig nicht erforderlich, dass wir als Menschheit diese Art der Energiegewinnung nutzen. Man sollte diesen Zweig der Forschung nicht komplett vernachlässigen, aber der Fokus und die großen Aufgaben liegen woanders.

  3. Ralf Poschmann Antworten | Permalink

    Die 50 Jahre sind eine anthropologische Größe, die im Verlauf der Zeit mit der gestiegenen Lebenserwartung langsam anwächst, am Beginn der Fusionsforschung waren es noch 30-40. Fragt man einen jungen Wissenschaftler, der mit Begeisterung bei der Sache ist, wann seine Forschungen Früchte tragen werden, und berücksichtigt er die Schwierigkeiten und Probleme, die er wahrscheinlich in seiner Lebenszeit nicht mehr wird lösen können, dann wird er einen Zeitpunkt nach seiner Emeritierung nennen. Also heißt 50 Jahre einfach: Kein heute lebender Wissenschaftler glaubt daran, dass er einen funktionsfähigen Reaktor noch erleben wird.

  4. ralph Antworten | Permalink

    Angesichts dessen, was bei Nichteinhaltung des 2, 3.. n Grad Ziels auf dem Spiel steht, würde ich dafür plädieren, wesentlich mehr in die Fusionstechnologie zu investieren, und sich international noch besser zu koordinieren. So ungewiss der Erfolg ist, so gewiss und irreversibel sind die verheerenden Folgen des Klimawandels.

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