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Auf dem Weg zum Sonnenofen

Seit der Entscheidung, das internationale Fusionsexperiment ITER in Frankreich zu bauen, herrscht Aufbruchsstimmung unter den Plasmaphysikern. Die Chancen stehen nicht schlecht, dass es eines Tages gelingen wird, nutzbare Energie aus der Verschmelzung von Atomkernen zu gewinnen. Autor: Robert Wolf

Die Sonne erzeugt in ihrem Kern riesige Energiemengen durch die Verschmelzung von Wasserstoff-Atomkernen und anderen leichten Elementen. Ein winziger Teil dieser Fusionsenergie erreicht die Erde, bestimmt unser Klima und ist bisher auch unsere wichtigste Energiequelle: Wir nutzen die wärmende Wirkung der Sonne, und mittels Photovoltaik erzeugen wir elektrische Energie. Windkraftanlagen oder Wasserkraftwerke beruhen auf der Wechselwirkung mit der Atmosphäre, und die fossilen Energieträger wie Kohle, Erdöl oder Gas sind letztendlich über Jahrmillionen gespeicherte Sonnenenergie. Nur die Primärenergieträger Erdwärme und Kernspaltung stammen nicht von der Sonne.

Mit der kontrollierten Kernfusion soll das Sonnenfeuer auf die Erde gebracht und technisch nutzbar gemacht werden. Damit stünde eine neue Primärenergiequelle zur Verfügung, die wesentliche Vorteile vereint:

• Die Brennstoffe wären aus heutiger Sicht nahezu unbegrenzt verfügbar. Bezogen auf den derzeitigen weltweiten Energieverbrauch würden sie mehr als eine Million Jahre ausreichen.

• Die Brennstoffe sind weltweit gleichmäßig verteilt, was die heutigen politischen Probleme beim Zugriff auf Energieträger wie Öl oder Gas vermeiden würde.

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• Kernfusion erzeugt kein Kohlendioxid und auch keine anderen klimaschädlichen Abfallprodukte. Die „Asche“ der Fusionsreaktion sind sehr geringe Mengen des Edelgases Helium, das bereits heute in kleinen Teilen in der Atmosphäre vorkommt.

• Im Gegensatz zur Kernspaltung beruht die Kernfusion nicht auf einer Kettenreaktion. Während in den Brennelementen eines Spaltreaktors die Energiemenge einiger Jahre gespeichert ist, wird der Brennstoff bei der Kernfusion, ähnlich einer chemischen Verbrennung, kontinuierlich zugeführt und umgesetzt.

Die technologisch und energetisch attraktivste Fusionsreaktion findet zwischen den Wasserstoffisotopen Deuterium (ein Proton mit einem zusätzlichen Neutron) und Tritium (ein Proton mit zwei zusätzlichen Neutronen) statt. Die Reaktionsprodukte sind Helium und ein Neutron, deren Energie nutzbar gemacht werden soll. Deuterium ist in kleinen Mengen im Wasser enthalten, während Tritium in der Natur nicht vorkommt und erst erbrütet werden muss, mit Hilfe von Lithium und Neutronen, die aus der Fusionsreaktion stammen. Die Rohstoffe der Fusion sind also Deuterium und Lithium.

Nun hat die Kernfusion nicht nur Vorteile, sondern bringt auch Schwierigkeiten mit sich:

• Die Neutronen werden nicht nur benutzt, um Tritium zu erbrüten, sondern sie aktivieren auch das Reaktorgefäß und dessen Umhüllung. Am Ende seiner Lebensdauer müsste das Reaktorgefäß mit den umliegenden Strukturmaterialien für einige hundert Jahre sicher aufbewahrt werden, bis deren Radioaktivität soweit abgeklungen ist, dass ein Großteil in den normalen Stoffkreislauf zurückgeführt werden könnte.

• Tritium ist radioaktiv und darf deshalb nicht in die Umwelt gelangen. Die Halbwertszeit ist mit zwölf Jahren allerdings vergleichsweise kurz, so dass es sich nicht beliebig anhäufen würde. Da für die Fusion nur soviel Tritium erzeugt wie gebraucht wird, ist es nicht nötig, große Mengen zu speichern oder zu transportieren. Reaktorstudien zeigen zudem, dass selbst bei einem vollständigen Verlust aller Kühl- und Kontrollsysteme eines zukünftigen Fusionsreaktors trotz des Umgangs mit Radioaktivität eine Gefahr für die Bevölkerung ausgeschlossen werden kann.

Bevor die Kernfusion zur allgemeinen Energieerzeugung beitragen kann, müssen allerdings noch einige physikalische und technische Herausforderungen gemeistert werden. Die Forschung der vergangenen Jahrzehnte galt der zentralen Frage, wie man genügend Fusionsreaktionen herbeiführt, so dass zwischen dem Aufwand zur Erzeugung der Reaktionen und der freigesetzten Energie eine positive Energiebilanz entsteht. Anders als in der Sonne, wo die Fusionsreaktionen bei Temperaturen von zehn Millionen Grad und einem Druck von zehn Milliarden bar stattfinden, benötigt ein irdischer Fusionsreaktor sogar noch höhere Temperaturen von 100 Millionen Grad. Dafür arbeitet er bei deutlich niedrigerem Druck von nur etwa zwei bar, also dem doppelten Atmosphärendruck.

Bei diesen extremen Bedingungen bildet sich ein heißes Plasma: Die Elektronen erhalten soviel Energie, dass sie sich von den Atomkernen trennen. Die nunmehr positiv geladenen Atomkerne überwinden ihre elektrische Abstoßung und verschmelzen paarweise. Während die Sonne das Fusionsplasma durch ihre gewaltige Schwerkraft zusammenhält, erproben die Plasmaphysiker auf der Erde andere Wege. Das aussichtsreichste Prinzip besteht darin, ein Fusionsplasma in einem Käfig aus starken Magnetfeldern festzuhalten.

Diesen magnetischen Einschluss soll auch der „International Thermonuclear Experimental Reaktor“ ITER (lateinisch: der Weg) verwirklichen, der jetzt im französischen Cadarache gebaut und von der EU, Japan, USA, Russland, China, Südkorea und Indien finanziert wird. Hier werden die Magnetfelder teilweise durch Spulen, aber auch durch im Plasma fließende elektrische Ströme erzeugt.

ITER soll erstmals mehr Energie liefern, als für die Erzeugung des Fusionsplasmas aufgewendet wurde: Die durch die Kernfusion hervorgebrachte Leistung soll die zugeführte Leistung um das zehnfache übertreffen. Über mindestens acht Minuten sollen in dieser Maschine 500 Megawatt (MW) frei werden.

Den Rekord in Sachen Kernfusion hält bislang das europäische Fusionsexperiment „Joint European Torus“ (JET) im englischen Culham. Im Jahr 1997 gelang es dort kurzfristig 16 MW Fusionsleistung zu erzeugen. Allerdings mussten dem Plasma noch etwa 22 MW Heizleistung zugeführt werden.

Neben der Verwirklichung von ITER arbeiten die Fusionslabors weltweit auch an der Weiterentwicklung des theoretischen Verständnisses von Fusionsplasmen und der Erprobung neuer Konzepte zur weiteren Verbesserung des magnetischen Einschlusses. Ziel ist zum einen, möglichst genaue Vorhersagen für die Entwicklung eines zukünftigen Fusionskraftwerks treffen zu können, und zum anderen, eine hohe Verfügbarkeit sicherzustellen, die entscheidend für den ökonomischen Einsatz dieser neuen Primärenergiequelle sein wird. Ein wichtiger Teil dieser Strategie ist der Bau des Stellarators Wendelstein 7-X in Greifswald. Mit dieser kleineren Fusionsmaschine soll eine deutlich kompliziertere Magnetfeld- beziehungsweise Spulenanordnung erprobt werden.

Zentrales Thema der Forschungsarbeiten am Fusionsexperiment TEXTOR im Forschungszentrum Jülich ist die Entwicklung neuer Materialen für die Innenwände der Fusionsmaschinen. Insbesondere soll geklärt werden, wie die Wandkomponenten dem Plasma standhalten können und wie die Wandmaterialen das Plasma beeinflussen. Dazu gehört auch die Optimierung der Randschicht des Plasmas, die den heißen Kern, in dem die Fusionsreaktionen stattfinden, von der zu schützenden Wand trennt.

Insgesamt sollen ITER und die anderen Experimente langfristig die Voraussetzungen für den Bau eines ersten Demonstrationskraftwerks liefern. Dieser Reaktor soll dann den Schritt von der Grundlagen- in die angewandte Forschung ermöglichen und erstmals Fusionsstrom ins Netz einspeisen. ■

Prof. Dr. Robert Wolf ist Direktor am Institut für Plasmaphysik des Forschungszentrums Jülich. Seine Arbeitsgebiete sind Transportphänomene in heißen Fusionsplasmen und die Kontrolle dieser Plasmen mit Hilfe ergodischer Magnetfelder.

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