Der Hitzepol in der Provence

Sieben Partner ziehen an einem Strang, um der Lösung der globalen Energieprobleme einen wichtigen Schritt näher zu kommen. Die EU, die USA, Japan, Kanada, Brasilien, Südkorea und Indien wollen bis Mitte des nächsten Jahrzehnts die weltweit erste Anlage errichten, in der aus der Verschmelzung von Atomkernen über längere Zeit hinweg Energie gewonnen wird – den ITER. Das Kürzel steht für „International Thermonuclear Experimental Reactor“ sowie für das lateinische Wort für „Weg“. Und der Weg war lang, den die Forscher beim Versuch, die Kernfusion zur Energiegewinnung nutzbar zu machen, bis heute gehen mussten. Schon in den Fünfzigerjahren lagen erste Konzepte vor. Die Idee, gemeinsam einen großen Kernfusionsreaktor zu bauen – und damit den Grundstein für eine kommerzielle Nutzung zur Energieerzeugung zu legen – ist rund 20 Jahre alt. Die Planungen für das ITER-Projekt haben auch Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching vorangetrieben.

Seit Juni 2005 steht fest, wie der bislang größte Fusionsreaktor aussehen soll und wo er errichtet wird: am französischen Kernforschungszentrum in Cadarache in der Provence (bild der wissenschaft 9/2005, „Kernfusion: Europa macht den Stich“). Dort laufen die Vorbereitungen für den Bau der Anlage inzwischen auf Hochtouren. Als Termin für den Betriebsstart des ITER peilen die Forscher das Jahr 2016 an. Bis dahin werden auf dem Baugelände voraussichtlich 4,6 Milliarden Euro investiert worden sein.

Der erste große Kernfusionsreaktor wird imposant sein: In einer 30 Meter hohen zylinderförmigen Reaktorkammer im Herzen einer riesigen Forschungshalle wird sich ein schlauchförmiger Behälter mit einem Volumen von etwa 850 Kubikmetern befinden. Um diesen Behälter herum angebrachte supraleitende Magnete erzeugen starke elektrische Ströme, die ein Plasma – ein Gas aus Elektronen und elektrisch geladenen Wasserstoffkernen – auf rund 150 Millionen Grad Celsius aufheizen. In dieser Gluthölle soll schließlich die Kernfusion zünden: Die Wasserstoffkerne verschmelzen zu Helium-Kernen – und setzen dabei sehr große Mengen an Energie frei.

Damit ahmen die Physiker die Prozesse nach, die im Inneren der Sonne und anderer Sterne ablaufen: Die leuchtenden Himmelskörper erzeugen ihr Licht durch Kernfusion. Was dank der extremen Verhältnisse im Zentrum der Sonne von alleine abläuft, erfordert in einem künstlichen Fusionsreaktor einen enormen technischen Aufwand. Doch der Aufwand lohnt sich, denn die Verschmelzung zweier Wasserstoff-Atomkerne setzt gewaltige Energiemengen frei: Aus einem Gramm Wasserstoff lässt sich auf diese Weise so viel Energie gewinnen wie aus elf Tonnen Steinkohle. Dabei befindet sich nie mehr als ein Gramm des Brennstoffs in der Reaktorkammer. Anders als in der Sonne, wo normale Wasserstoff-Kerne, also Protonen, miteinander verschmelzen, wird der Brennstoff des Reaktors in der Provence aus den beiden schweren Wasserstoff-Isotopen Deuterium und Tritium bestehen. Beide Isotope lassen sich auf der Erde recht einfach gewinnen: Deuterium kann aus dem Wasser der Weltmeere extrahiert werden, das instabile Tritium erzeugen die Forscher durch Neutronenbeschuss von Lithium, das in vielen Gesteinen steckt.

Ein Magnetfeld sorgt dafür, dass die energiereichen Teilchen des Plasmas von den Wänden der Brennkammer ferngehalten werden, die sie sonst allmählich zerfressen würden. Überschüssige Neutronen, die beim Verschmelzen von Wasserstoff zu Helium entstehen, werden aufgefangen. Sie sollen in künftigen Fusionskraftwerken dazu genutzt werden, um in einem speziellen Mantel um den Reaktor das als Brennstoff benötigte Tritium direkt aus Lithium zu „erbrüten“. Diese neuartige Form der Tritiumerzeugung ist eine von vielen Technologien, die mit dem ITER erstmals in der Praxis getestet werden sollen.

Das wichtigste Ziel des Experimentalreaktors ist es jedoch, zum ersten Mal in der Geschichte der Fusionsforschung eine Kernverschmelzung in Gang zu setzen, die mehr Energie liefert, als zuvor in die Anlage hineingesteckt werden musste – etwa zum Aufheizen des Plasmas. In der derzeit größten Fusionsanlage JET (Joint European Torus) im englischen Culham, die nach dem gleichen technischen Prinzip arbeitet wie ITER, konnte man ein Fusionsplasma bislang nicht länger als ein paar Sekunden am „ Brennen“ halten. Dabei wurden nur etwa zwei Drittel der zuvor aufgewendeten Energie wieder freigesetzt. ITER dagegen soll zehnmal so viel Energie aus der Kernfusion gewinnen wie nötig ist, um sie anzustoßen – über einen Zeitraum von teils Tagen – und dabei eine Leistung von 500 Megawatt liefern.

Rund 20 Jahre lang soll ITER in Betrieb bleiben. Sollten die Experimente am Reaktor in Cadarache erfolgreich verlaufen, ist als nächstes ein Demonstrationskraftwerk geplant, das permanent Wärme und elektrischen Strom aus der Kernfusion liefern soll. Mit seinem Bau könnte etwa um das Jahr 2030 begonnen werden. Frühestens in etwa 40 Jahren wird dann der erste kommerzielle Fusionsreaktor ans Netz gehen. ■