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Das Wettrennen um die KERNFUSION


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HÖRZU Wissen - epaper ⋅ Ausgabe 2/2022 vom 17.03.2022

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Bildquelle: HÖRZU Wissen, Ausgabe 2/2022

Im Tokamak-Reaktor des JET-Experiments in England wird Plasma erzeugt

Kleine Quizfrage: Was ist der heißeste Ort unseres Sonnensystems? Das kann doch eigentlich nur die Sonne selbst sein, oder? Schließlich herrschen in ihrem Inneren Temperaturen von 15 Millionen Grad Celsius. Die Antwort ist überraschenderweise falsch. Für den Rekord reicht dieses Höllenfeuer nicht – zumindest an einem besonderen Tag Anfang dieses Jahres. Da lag der heißeste Ort des Sonnensystems in Großbritannien, in dem 500-Seelen-Dorf Culham.

In der Klimakrise gilt Kernfusion als Ausweg

Im Herzen Englands wurde es mitten im Winter rund 150 Millionen Grad Celsius heiß – also rund zehnmal heißer als in der Sonne. Erreicht wurde diese unvorstellbare Temperatur nicht irgendwo in Culham, sondern im Inneren des Joint European Torus (JET).

In diesem weltweit größten Kernfusionsreaktor stellen Forscher aus ganz Europa Prozesse nach, wie sie ähnlich auch in der Sonne ablaufen: Sie lassen die beiden ...

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... Wasserstoff sorten Deuterium und Tritium zu einem ionisierten Gas verschmelzen, zu sogenanntem Plasma (s. Grafik rechts). Dabei wird unter anderem eine ungeheure Menge Energie freigesetzt. Im Reaktor muss es dabei um ein Vielfaches heißer sein als in der Sonne. Ein Grund: Die sehr viel höhere Dichte in dem Stern kann auf der Erde nicht erreicht werden, das wird durch die höhere Temperatur kompensiert.

Knapp 60 Megajoule Energie wurden beim jüngsten JET-Experiment erreicht, das ist Weltrekord. Mehr konnte noch bei keinem Fusionsexperiment erzeugt werden. Umgerechnet rund 180 Liter Wasser ließen sich damit in fünf Sekunden zum Kochen bringen. Was Forscher an der Methode so fasziniert, ist weniger die Gegenwart als die Zukunft. Ist die Technologie ausgereift, ließe sich in einem Fusionskraftwerk mit nur einem Gramm Brennstoff so viel Energie erzeugen wie mit 11.000 Kilogramm Kohle.

Fusionsenergie gilt also als möglicher Heilsbringer, vor allem angesichts der Klimakrise, die sich in den kommenden Jahrzehnten zuspitzen wird. Fossile Brennstoffe belasten die Umwelt, und ob regenerative Formen den Energiebedarf werden decken können, scheint fraglich. Das Beste an der Kernfusion: Die benötigten Brennstoffe sind weder teuer noch besonders selten. Deuterium ist nahezu unbegrenzt im Meerwasser zu finden, und das Gas Tritium kann im Kraftwerk aus Lithium gewonnen werden.

„Das Potenzial für Energie aus Kernfusion ist gigantisch“, sagt Hartmut Zohm. „Und das JET-Experiment war ein riesiger Fortschritt, sowohl technisch als auch wissenschaftlich.“ Zohm ist Leiter des Bereichs Tokamak-Szenario-Entwicklung am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in München. Seine Abteilung war am JET-Experiment beteiligt, das drei Jahre lang vorbereitet wurde.

ITER: Das 10-Millionen-Teile-Puzzle

Der deutsche Physiker weiß um die Chancen der Fusionsenergie – aber auch um die Schwierigkeiten. „Kernfusion ist technisch deutlich komplizierter umzusetzen als etwa die Kernspaltung, die wir aus Atomkraftwerken kennen“, erklärt Professor Zohm. „Die größte Hürde bei der Kernfusion ist es, tatsächlich mehr Energie zu erzeugen als man vorher zum Heizen hineinstecken musste. Bei JET hat man ein Drittel der hineingesteckten Leistung wieder herausbekommen. Aber ich bin mir sicher: ITER wird eine deutlich positive Energiebilanz haben.“

ITER – das ist der Internationale Thermonukleare Experimentalreaktor. Der Nachfolger von JET entsteht derzeit im südfranzösischen Cadarache. Nach jahrzehntelanger Planung wird hier seit 2010 gebaut. Die Dimensionen sind gigantisch: An dem 20-Milliarden-Euro-Projekt arbeiten insgesamt 35 Staaten, darunter die USA, China, Großbritannien, Russland und Deutschland. In den nächsten Jahren werden die mehr als zehn Millionen Einzelteile – angeliefert aus der halben Welt – zusammengesetzt.

Herzstück von ITER ist der rund 24 Meter hohe Fusionsreaktor (s. Seite 93).

”Das Potenzial für Energie aus Kernfusion ist gigantisch.

Prof. Hartmut Zohm, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

„Die Größe ist dabei von entscheidender Bedeutung“, so Zohm. „Diese gewaltigen Dimensionen ermöglichen eine bessere Isolation, mehr Plasma und damit auch endlich eine positive Energiebilanz.“

Wie schon bei JET haben sich die Initiatoren auch beim deutlich größeren ITER für eine sogenannte Tokamak-Form entschieden. Sie ähnelt der eines Donuts (siehe nächste Seite). Da kein Material Temperaturen von vielen Millionen Grad Celsius widerstehen könnte, muss das Plasma anderweitig „eingeschlossen“ werden. Die Lösung: Gewaltige Magnetspulen halten mit ihren Magnetfeldern das Plasma in Form.

Ein Endlager wird nicht mehr benötigt

Sollte das Plasma an die Wände des Tokamak geraten, kühlt es sich relativ schnell wieder ab. Gefahr besteht keine. Auch das Problem durch Strahlung sei zu vernachlässigen, so Zohm, obwohl das verwendete Tritium radioaktiv sei: „Es ist kein Vergleich zu den zeitlichen Dimensionen der Kernspaltung in Atomkraftwerken. Da geht es um viele Tausende Jahre. Bei der Kernfusion zerfällt der radioaktive Müll sehr viel schneller. Nach 100 Jahren kann er unbedenklich mit der Hand angefasst werden.“ Heißt: Es wird kein Endlager benötigt, ein Zwischenlager reicht.

ENERGIE DURCH KERNFUSION

Kernfusion auf der Erde ahmt Prozesse im Inneren der Sonne nach: Bei extremer Hitze verschmelzen die Wasserstoffsorten Deuterium und Tritium.

Dabei entstehen u. a. riesige Mengen an Energie.

AUFBAU EINES FUSIONSREAKTORS

Im Reaktor (hier Typ Tokamak) werden Deuterium und Tritium in einen Plasma-Zustand gebracht (dünnes ionisiertes Gas). Bei extrem hoher Temperatur des Plasmas kommt es zur Kernfusion und damit zur Freisetzung von Energie

US-Firma will das Mega-Projekt ITER überholen

Das erste Plasma wird im ITER frühestens 2025 erzeugt werden. Mit den Erkenntnissen aus dem Versuchs reaktor soll anschließend das erste Kraftwerk gebaut werden, das tatsächlich Strom ins Netz einspeisen kann. Das dürfte jedoch noch mehrere Jahrzehnte dauern.

So lange wollen nicht alle warten. In den vergangenen Jahren sind eine Reihe von Privatunternehmen gegründet worden, die die Kernfusion früher realisieren möchten. Mit der Klimakrise bekommt der alte Traum von der Fusionsenergie eine neue Dynamik. In England etwa entstand Tokamak Energy und in den Vereinigten Staaten das Start-up Commonwealth Fusion Systems (CFS).

Das US-Unternehmen wurde 2018 gegründet, als Ableger vom Plasma Science and Fusion Center des renommierten Massachusetts Institute of Technolog y, kurz MIT. Den Slogan von CFS darf man durchaus als Seitenhieb auf das oft als behäbig angesehene ITER-Projekt verstehen: „Smaller. Smarter. Sooner.“ – die Firma verspricht die Zukunftstechnologie also kleiner, schlauer und schneller zur Marktreife zu führen Dabei setzt CFS vor allem auf die Entwicklung von Magnetfeldspulen auf der Basis von Hochtemperatursupraleitern.

Diese besitzen wesentlich stärkere Magnetfelder, wodurch das Plasma besser isoliert werden kann. Damit, so die Idee, wären auch deutlich kleinere Reaktoren als der gewaltige ITER realisierbar. Der ambitionierte Zeitplan: Schon 2025 soll ein Versuchsreaktor von CFS eine positive Energiebilanz vorweisen. Anfang der 2030er soll dann ein erstes voll funktionsfähiges Kraftwerk startklar sein.

Stärkster Laser der Welt erzeugt Plasma

Einen anderen Ansatz verfolgt Marvel Fusion. Auch das Münchener Start-up will die Prozesse innerhalb der Sonne nachahmen. Doch die immensen Temperaturen sollen anders erreicht werden als im Tokamak-Reaktor: Ein winzig kleines Brennstoffkügelchen wird mit extrem kurzen, exakt getimten Laserpulsen beschossen. So sollen Wasserstoff und Bor verschmolzen und ein deutlicher Energieüberschuss erzielt werden. Das Prinzip ähnelt damit dem der National Ignition Facility (siehe S. 90). An dem US-Institut in Kalifornien wird der leistungsstärkste Laser der Welt ebenfalls dazu verwendet, Plasma zu erzeugen.

Werden diese Projekte ihre ehrgeizigen Ziele erreichen? Das bleibt abzuwarten.

Hartmut Zohm jedenfalls verteidigt den bedächtigeren Ansatz von JET und ITER: „Es ist klar, dass man mit öffentlichen Geldern nicht den riskantesten Weg verfolgen kann, selbst wenn er den größten Erfolg bringen könnte. Privatunternehmen und Investoren können da anders agieren. Wer eigenes Geld in zehn verschiedene Projekte investiert, kann sich neun Flops erlauben, wenn das zehnte zum Riesenerfolg wird.“

Ob nun privat finanziert oder staatlich gefördert wie bei dem multinationalen ITER: Fusionsenergie dürfte ein wichtiger Bestandteil im Energie-Mix der Zukunft werden. „Sie wird die regenerativen Formen aber nicht vollständig ersetzen“, sagt Hartmut Zohm. „Solar-und Windenergie werden ausgebaut werden. Aber irgendwann kommt man dort in den Bereich, wo es schwierig wird, den Anteil zu erhöhen, weil die Fluktuation zu groß und die Speicherung zu schwierig wäre. Dann wird Fusion eine große Rolle spielen. Und da, wo heute ein Kohlekraftwerk oder eine große Gasturbine steht, wird in Zukunft ein Fusionskraftwerk stehen.“

Fusionskraftwerke schon in zehn Jahren?

Bleibt ein spannendes Gedankenexperiment: Was wäre in der Kernfusionsforschung möglich, wenn das Budget nicht begrenzt wäre? Welche Prozesse ließen sich beschleunigen? „Nicht alle Probleme wären sofort gelöst“, sagt der Fusionsexperte Zohm. „Aber mit genug Geld ließen sich mehrere große Versuchsreaktoren parallel an mehreren Orten bauen und überall experimentieren. Der Reaktor mit den besten Ergebnissen wird weiterentwickelt.“ Die Prognose des Physikers: „Dann hätten wir ein erstes vollfunktionsfähiges Fusionskraftwerk statt in 30 oder 40 Jahren vielleicht schon in 10 bis 15 Jahren.“

Man stelle sich vor: Multimilliardäre wie Elon Musk, Richard Branson und Jeff Bezos würden ihr Vermögen nicht in Weltraum-Pläne stecken, sondern in die Erforschung der Kernfusion. Die Sonne auf der Erde nachzubauen – das wäre doch eigentlich ein reizvolles Projekt für jene Männer, die so gerne nach den Sternen greifen.

MICHAEL TOKARSKI