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Ein Donut so heiß wie sieben Sonnen

Zehn Milliarden Dollar für ein Experiment: ITER soll der Fusionsforschung zum Durchbruch verhelfen

Von Christoph Marty

Würde die Vision der Fusionsforscher Wirklichkeit, wären unsere Energieprobleme in 50 Jahren gelöst. Bis zum Jahr 2050 soll eine neue Form der Energiegewinnung endlich einsatzbereit sein: die Kernfusion, bei der Atomkerne miteinander verschmelzen und dabei große Mengen an Energie freisetzen. Ein nach diesem Prinzip Strom erzeugendes Fusionskraftwerk würde mit nur einem Gramm des benötigten Brennstoffs etwa 90.000 kWh Energie freisetzen – so viel, wie bei der Verbrennung von elf Tonnen Kohle entsteht.

Den Durchbruch in der Fusionsforschung versprachen Wissenschaftler allerdings schon vor einem halben Jahrhundert - bis heute ohne Erfolg. Mit dem internationalen Gemeinschaftsprojekt ITER (lat. der Weg), an dem sich unter anderem die EU, die USA, Indien, Japan und China beteiligen, nehmen die Fusionsforscher nun einen neuen Anlauf. In den nächsten 20 Jahren entsteht in den Wäldern um das südfranzösische Cadarache ein 20.000 Tonnen schwerer Versuchsreaktor. Kosten des Mammutexperiments: etwa zehn Milliarden Euro, davon allein etwa fünf Milliarden Euro für den Bau. Dies entspricht in etwa dem gemeinsamen Jahresbudget von Deutscher Forschungsgemeinschaft, Max-Planck-Gesellschaft, Fraunhofer-Gesellschaft und Leibniz-Gemeinschaft.

Die Umweltorganisation Greenpeace bezeichnete das Großexperiment mit Blick auf die immensen Kosten und die bislang stets geplatzten Träume der Fusionsforscher schon als Milliardengrab. „Mit dem Geld könnten wir Windkraftanlagen bauen, die rund 7,5 Millionen Haushalte in Europa mit Strom versorgen“, rechnet Jan Vande Putte von Greenpeace vor.

Eine Kritik, die Thomas Hamacher, Physiker und Energieexperte am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching, nicht nachvollziehen kann. „Wir investieren heute bereits stark in die Markteinführung erneuerbarer Energien. Würden wir das gesamte Fusionsgeld für den Bau von Windkraftanlagen einsetzen, wäre der Gewinn relativ gering. Indem wir in die Erforschung einer neuen Technologie investieren, gehen wir zwar ein gewisses Risiko ein. Da ITER jedoch ein Gemeinschaftsprojekt ist, verteilt sich dieses Risiko auf mehrere Partner. Würde es uns gelingen, der Menschheit eine völlig neue Energiequelle zu erschließen, wäre der Gewinn erheblich größer.“

Mit ITER wollen die Wissenschaftler deshalb die skeptische Öffentlichkeit vom Potenzial der Kernfusion überzeugen und ihre Fortschritte demonstrieren. „Wir sind uns sicher, dass uns mit ITER diesmal der Durchbruch gelingt“, sagt Hamacher.

So soll der Fusionsreaktor ITER aussehen. Beim Größenvergleich hilft der eingezeichnete Forscher unten rechts. Grafik: ITER

Wirklich sicher? Lehren nicht ausgerechnet die Erfahrungen der Fusionsforschung, dass wissenschaftlicher Fortschritt eben nicht planbar ist? Anfang der 50er Jahre deutete sich zunächst ein Kopf-an-Kopf-Rennen zwischen der Kernfusion und ihrem physikalischen Gegenstück, der Kernspaltung, an. Doch beim Wettlauf um das erste rentable Kraftwerk wurden die Fusionsforscher schon bald abgehängt. Heute deckt Europa etwa ein Drittel seines Energiehaushalts mit Atomkraftwerken. Die Fusion ist dagegen noch immer Grundlagenforschung - über 50 Jahre nach den ersten theoretischen Modellen für Fusionskraftwerke. „Die Ursache für diese zeitliche Verzögerung liegt in den  unterschiedlichen Voraussetzungen von Kernspaltung und Kernfusion“, sagt Thomas Hamacher. „Bei der Kernspaltung genügt es im Prinzip, ausreichend spaltbares Material zusammenbringen. Die Spaltung funktioniert dann fast von allein. Bei der Fusion müssen dagegen Bedingungen erreicht werden, die auf der Erde gar nicht existieren. Das erfordert leistungsfähige Technik - und die musste erst entwickelt werden.“

Vorbild der Fusionsforscher sind die Sterne - die größten natürlichen Fusionsreaktoren unseres Universums. Bei Temperaturen von bis zu 15 Millionen Grad Celsius verschmelzen etwa im Inneren unserer Sonne ständig Wasserstoffatome zu Heliumkernen. Dabei wird etwa ein halbes Prozent der Wasserstoffmasse in Energie umgewandelt und als Licht in die Tiefen des Weltraums ausgestrahlt. Nur ein Milliardstel Teil erreicht davon die Erde - genug, damit sich auf unserem Planeten das Leben entwickeln konnte. Für Fusionskraftwerke planen die Wissenschaftler nichts Geringeres, als das Sonnenfeuer auf der Erde zu zünden und mit Hilfe hocheffizienter Magnetspulen zu bändigen.

Ziemlich ehrgeizig, oder? Aber durchaus realistisch, sagt Hamacher: „Die Rückschläge der Vergangenheit resultierten vor allem daraus, dass wir die theoretische Physik der Kernfusion noch nicht vollständig begriffen hatten. Das ist heute anders, denn erstens haben wir die meisten komplexen physikalischen Probleme gelöst - Simulationen am Computer unterstützen unsere Ergebnisse sogar. Und zweitens sind wir den Anforderungen der Kernfusion nun auch technisch gewachsen: Heute verfügen wir über große Magneten und spezielle Materialien, die den großen Hitzebelastungen standhalten.“ Denn den Druck im Sonnenzentrum - etwa 200-Milliarden mal so groß wie der Druck der  Erdatmosphäre - erreichen Fusionsanlagen nicht. Um den Fusionskreislauf dennoch in Gang zu bringen, werden Temperaturen von mindestens 100 Millionen Grad benötigt; das entspricht der Hitze von sieben Sonnen.

Als Brennstoff nutzen die Fusionsforscher die schweren Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium. „Für diese beiden chemischen Elemente ist die Wahrscheinlichkeit, dass ihre Isotope miteinander verschmelzen, am größten“, sagt Hamacher. Deuterium ist auf der Erde in großen Mengen vorhanden: Es wird aus einfachem Wasser gewonnen, das etwa 35 Gramm pro Kubikmeter enthält. Tritium ist auf der Erde dagegen sehr selten, da es radioaktiv ist und eine relativ kurze Halbwertszeit von nur etwa zwölf Jahren besitzt. Im Fusionskraftwerk muss Tritium deshalb erst aus Lithium, einem der häufigsten Leichtmetalle der Erdkruste, „erbrütet“ werden. Bei diesem Prozess wird die Reaktorwand allerdings radioaktiv verstrahlt. Sie muss deshalb regelmäßig ausgetauscht werden und verursacht daher - wie auch ein konventionelles Kernkraftwerk - radioaktiv verstrahlte Abfälle.

Bei der Reaktion zwischen Deuterium und Tritium entstehen Helium, ein Neutron und sehr viel Energie. Grafik: ITER

Steigt die Temperatur im Fusionsreaktor auf über 100.000 Grad Celsius, geht das zunächst gasförmige Gemisch aus Deuterium und Tritium in einen neuen Aggregatzustand über: das Plasma. Dies ist neben fest, flüssig und gasförmig der vierte Zustand der Materie. Darin werden die Atomverbindungen der beiden Isotope gesprengt und die Kernfusion kommt in Gang.

„Die Herausforderung für jede Fusionsanlage besteht darin, das Plasma so gut zu isolieren, dass es nicht abkühlt und damit der Fusionsprozess unterbrochen wird“, sagt Hamacher. Dies passiert etwa dann, wenn das Brennstoffgemisch mit anderen Materialien in Kontakt gerät -ein Problem, das die Plasmaphysiker bereits seit Beginn der Fusionsforschung beschäftigt. Die Wissenschaftler wollen diesen Effekt verhindern, indem sie das Plasma in der Fusionskammer in der Schwebe halten. Dabei profitieren sie von einer besonderen Eigenschaft des Plasmas: Im Gegensatz zu einem einfachen Gas ist Plasma magnetisch. Für den Fusionsreaktor ITER konstruieren die Fusionsforscher deshalb einen gigantischen Magnetkäfig. Dessen magnetisches Feld soll etwa 100.000-fache Stärke des Erdmagnetfelds haben.

Die Blaupause für einen solchen Reaktor lieferten die russischen Forscher Andrei Sacharow und Igor Tamm bereits im Jahr 1951: den Tokamak-Reaktor. Bis heute ist es allerdings noch nicht gelungen, dass Plasma dauerhaft in einem solchen Magnetkäfig einzufangen. Bislang waren die Magneten stets zu schwach, um das Feuer, das die Sterne leuchten lässt, im Fusionsreaktor permanent brennen zu lassen.

Modell eines Tokamak-Reaktors. Grafik: ITER

Die Plasmakammer des Tokamaks gleicht einem überdimensionalen Doughnut mit einem Radius von acht Metern, der von einem starken äußeren Magnetfeld umgeben ist. In der Mitte des Doughnuts erzeugen Transformatorspulen ein zweites Magnetfeld. Gemeinsam sollen diese beiden Felder nicht nur einen konstanten Druck auf das Plasma ausüben, sondern es zugleich auch in der Schwebe halten. Ein drittes, vertikal verlaufendes Magnetfeld soll den Strom des Plasmas zusätzlich stabilisieren.

Ein zusätzlicher Generator erzeugt den elektrischen Strom - emissionsfrei und ohne die Gefahr einer atomaren Kettenreaktion. Angetrieben wird der Generator durch eine Dampfturbine, die mit einer heißen Flüssigkeit - direkt aus der Plasmakammer - gespeist wird. Dabei gilt: Je größer der durch die Magnete erzeugt Druck, desto ertragreicher die Ausbeute der Fusion. Dies stellt die Wissenschaftler allerdings vor große Probleme: Mit steigendem Druck erhöht sich zugleich die Gefahr von Instabilitäten innerhalb des Plasmas. Diese verhindern den magnetischen Einfluss des Sonnenfeuers. Das Plasma kühlt sich deshalb ab oder verschmutzt. Im schlimmsten Fall droht dann sogar das Ende des Fusionsprozesses. Bis heute ist es den Physikern noch nicht gelungen, dass Plasma über einen längeren Zeiträume zu zähmen und damit einen dauerhaften Fusionsprozess zu ermöglichen.

Gegenüber der Kernspaltung würde ein Fusionskraftwerk drei Vorteile bieten: Erstens ist das  radioaktive Inventar eines Fusionskraftwerks vergleichsweise klein, da der Prozess, in dem das Tritium erbrütet wird, je nach Bedarf gesteuert werden kann. Der Vorrat an radioaktivem Material ist also stets begrenzt. Zweitens sind unkontrollierbare Kettenreaktionen ausgeschlossen, weil die Endprodukte - Helium und Neutronen - den Fusionsprozess nicht wieder in Gang setzen können. Und drittens sind beide Endprodukte - ein Heliumkern und ein Neutron - nicht radioaktiv.

Wird ITER ein Erfolg, wäre dies tatsächlich ein Meilenstein auf dem Weg zur Entwicklung kommerzieller Fusionsreaktoren - würde ITER doch als erster Fusionsreaktor mehr Energie produzieren als er verbraucht: Mit einer Leistung von 500 Megawatt soll der Versuchsreaktor etwa die zehnfache Energiemenge produzieren, die für den Betrieb der Anlage notwendig ist. Zum Vergleich: Der bislang erfolgreichste Tokamak-Reaktor JET (Joint European Torus) erreichte eine Leistung von nur etwa 16 Megawatt. Von einem kommerziellen Fusionskraftwerk ist ITER dennoch weit entfernt. „Dazu bräuchten wir Energiemengen, die denen von Kernkraftwerken entsprechen, also zwischen 1 und 1,5 Gigawatt“, sagt Hamacher. ITER wäre also nur eine Durchgangsstation auf dem Weg zu einem Strom erzeugenden Testreaktor.

Der nächste Schritt auf dem Weg zum Fusionskraftwerk wäre der Bau des Testreaktors DEMO - ab dem Jahr 2035 geplant. DEMO soll dann erstmals Strom im Dauerbetrieb produzieren. Voraussetzung dafür: erneute Investitionen in Milliardenhöhe. „Dennoch bin ich  überzeugt, dass ein solcher Testreaktor kommen wird, falls ITER erfolgreich ist“, sagt Hamacher. „Ich könnte mir sogar vorstellen, dass einige Länder einen solchen Reaktor selbst bauen werden. China und Indien etwa zeigen sich sehr interessiert.“

Doch könnte sich die Kernfusion auch wirtschaftlich auf dem Energiemarkt durchsetzen? Studien sagen derzeit Stromkosten in Höhe von etwa sechs Cent je Kilowattstunde voraus. Damit wäre Fusionsstrom etwa doppelt so teuer wie Strom aus Kohle, Gas oder Kernspaltung. „Sollten wir im Jahr 2050 unsere Energie immer noch aus der Verbrennung von Kohle und der Kernspaltung beziehen, hätte die Fusion keine Chance“, räumt Hamacher ein. „Sollten wir uns allerdings bis dahin entschieden haben, unsere Energieversorgung nachhaltiger zu gestalten, entstünde eine neue Energielandschaft, die uns vermutlich auch mehr kosten würde. Darin ließe sich die Fusion sehr gut integrieren.“

Und was geschieht, falls das große Experiment doch schief geht? „Sollte ITER scheitern“, so Hamacher, „wäre dies vermutlich das Ende der großen Kernfusionsforschung.“


Dieser Beitrag entstand im Zuge des EuroScience Open Forum (ESOF) 2006.


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Aus zwei mach eins
Wie genau die Kernfusion funktioniert, erfahren Sie in diesem Film
von Christoph Marty und Jan-Henner Reitze.


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Grafik: CERN

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