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Kernfusion

Sonnenfeuer auf Erden

Wie Europa im Fusionsreaktor die Energie der Zukunft erzeugen will - quasi ohne radioaktive Abfälle.

Sonnenfeuer auf Erden Sonnenfeuer auf Erden
energlobe.de

Lateinisch bedeutet Iter 'der Weg'. Der ist lang beim internationalen Großprojekt zur Fusionsforschung, das diesen Namen trägt, als Abkürzung für: International Thermonuclear Experimental Reactor. Der Reaktor soll 500 Megawatt Fusionsleistung bieten, so viel wie ein kleines Kraftwerk. Allerdings schießen die Kosten weiter in die Höhe – nach neuesten Schätzungen auf rund 15 Milliarden Euro. Und dennoch: Für viele Energiepolitiker in Europa ist der Iter ein wichtiger Hoffnungsträger.

Der Kern der Anlage ist 30 Meter hoch, hat einen Durchmesser von über 20 Metern und fasst 830 Kubikmeter Plasma, das entspricht der Füllmenge eines Schwimmbads. Der Reaktor simuliert das Feuer der Sonne unter irdischen Bedingungen: Energie wird durch die Verschmelzung von leichten Atomkernen gewonnen. Von allen möglichen Verschmelzungen, die für ein Fusionskraftwerk in Frage kommen, liefert die Reaktion zwischen den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium die größte Energieausbeute. Sie verschmelzen kurzzeitig zu einem Zwischenkern und es werden Helium und energiereiche Neutronen freigesetzt. Ein Gramm des Brennstoffs würde im Kraftwerk die Leistung von 90 Megawattstunden erzeugen, das entspricht der Verbrennungswärme von elf Tonnen Kohle oder acht Tonnen Erdöl.

100 Millionen Grad

So wie ein Feuer erst entfacht werden muss, benötigt auch die Fusion bestimmte Zündbedingungen: Dafür wird im Labor Gas auf eine Temperatur von 100 Millionen Grad erhitzt; bereits ab hunderttausend Grad entsteht Plasma, ein dünnes, ionisiertes Gas. Im Kraftwerk wird das heiße Brennstoffgemisch dann in einem Magnetfeld eingeschlossen, damit das Plasma nicht an den Wänden wieder abkühlt. „Die Energiespeicherung des Plasmas ist derzeit eine unserer größten Herausforderungen“, erklärt Professor Günther Hasinger, wissenschaftlicher Direktor des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik.

Energie nach dem Prinzip der Sonne kontrolliert freizusetzen, gelang erstmals 1983 mit dem europäischen Großprojekt Joint European Torus (Jet) in Culham, England. 14 Jahre später konnte bereits eine Leistung von 16 Megawatt erzeugt werden, das ist allerdings nur die Hälfte der zur Erwärmung des Plasmas eingesetzten Energie. Für einen Netto-Energiegewinn ist die Anlage mit 80 Kubikmetern Plasma zu klein.

Wer ist an Iter beteiligt?

Das Defizit in einen Energieüberschuss zu verwandeln, ist Aufgabe des in Cadarache in Südfrankreich gebauten Iter. Bereits 1985 wurde das Unterfangen als Symbol für ein Ende des Kalten Krieges von den Nationen Russland, Frankreich und den USA eingeleitet. Heute sind die komplette EU, Japan, China, Südkorea, Russland und Indien sowie die USA – nach zwischenzeitlichem Ausstieg in den Jahren 1999 bis 2003 – im Forschungsbündnis vertreten. Der Iter sei ursprünglich doppelt so groß geplant gewesen, wurde den US-Amerikanern jedoch zu teuer, rekapituliert Hasinger: „Das Projekt wurde daraufhin verkleinert, sodass sich die Kosten halbierten und die Amerikaner wieder an Bord kamen.“

Nach zehn Jahren Bauzeit wird nun für 2019 das erste Plasma erwartet. Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker werden dann weitere 20 Jahre an der Anlage arbeiten und forschen. Der Iter soll zeigen, dass ein Energie lieferndes Fusionsfeuer möglich ist. Strom wird allerdings erst das Folgeprojekt liefern, das frühestens ab 2036 gebaut werden soll.

Tokamak versus Stellarator

Die verbreitetsten Anlagen sind vom russischen Tokamak-Typ, dazu gehören auch Jet und Iter. In beiden wird das Plasma durch ein Magnetfeld in Form eines Donuts eingeschlossen. Die alternative US-Entwicklung heißt Stellarator. Dessen Magnetfeld wird ausschließlich durch äußere Spulen erzeugt und ist dadurch aufwendiger. In Greifswald steht die größte Forschungsanlage dieses Typs: Der Wendelstein 7-X soll 2014 fertiggestellt sein. Der Stellarator ist vom Aufbau her wesentlich komplexer und konnte ohne leistungsfähige PCs lange nicht weiterentwickelt werden: „Deshalb liegt er bei der Entwicklung im Vergleich zu Tokamaks etwa 30 Jahre zurück“, erläutert Professor Mathias Noe, Magnetforscher am Karlsruher Institut für Technologie. Es sei dennoch denkbar, dass Stellaratoren beim Nachfolgereaktor eingesetzt werden, denn diese würden im Betrieb deutliche Vorteile bieten: „Deshalb ist die parallele Entwicklung durchaus sinnvoll“, so Noe weiter.

Wie bei der Kernspaltung stehen beim Fusionsreaktor Sicherheitsüberlegungen im Fokus: Der Neutronenfluss aus dem Plasma aktiviert die Strukturmaterialien der ersten Innenwand. Etwa 80 Prozent des radioaktiven Materials klingt nach weniger als 100 Jahren unter die Freigrenze ab, der Rest muss allerdings einige Jahrhunderte gelagert werden. „An einem langfristigen Zwischenlager kommen Betreiber der Technologie deshalb nicht vorbei“, erklärt der Energieexperte der Deutschen Umwelthilfe, Gerd Rosenkranz. Damit wären auch weiterhin Zwischenlager nötig, denn der vergleichsweise schwache radioaktive Abfall der Kernspaltung kann nicht in einer Art Rückwärtsgang für die Fusion verwendet werden.

Die Fusionskonstante

Selbst die Verwirklichung des globalen Fusionsprojekts scheint noch aufwendiger und teurer als erwartet: Die Kosten des Iter werden nach neuen Berechnungen zweieinhalb Mal höher ausfallen als vorher kalkuliert. „Das ist doch bei vielen Großprojekten so“, kommentiert EU-Kommissar Günther Oettinger lapidar. Er befürwortet, dass Berlin eine Milliarde mehr ausgibt, um „die europäische Federführung“ bei dem Unterfangen zu behalten. Die EU trägt immerhin 45 Prozent der Kosten, während die anderen sechs Partner mit je etwa neun Prozent beteiligt sind.

Eine Studie der niederländischen Forschungseinrichtung ECN zur Entwicklung des europäischen Energiemarktes ab 2050 zeigt, dass Fusion als neue, wenn auch kapitalintensive Technologie in den Markt eindringen kann – vorausgesetzt, der Ausstoß des Treibhausgas CO2 soll weiter deutlich reduziert werden. „Kommerzielle Fusionskraftwerke könnten dann bereits 20 bis 30 Prozent Strom liefern“, schätzt Hasinger, „also zu einer Zeit, in der der weltweite Strombedarf immer noch ansteigt und klimafreundliche Kraftwerke dringend gesucht sein werden.“ Die Probleme des Klimawandels sollte die Weltgemeinschaft aber vorher gelöst haben: „Damit kommt der Energieträger Kernfusion wahrscheinlich zu spät“, gibt DUH-Experte Rosenkranz zu bedenken. Augenzwinkernd verweist er auf die Tradition der sogenannten 'Fusionskonstante'. Seit den 1970er Jahren prophezeit die Wissenschaft der Kernfusion nämlich schon, dass sie in 40 Jahren marktreif sein könnte.

Weitere Informationen:
KIT-Programm Kernfusion
Homepage des Iter
Homepage des IPP

»DIE KRISE DER IDEE VON EINER WELTORDNUNG

(IST) DAS ULTIMATIVE INTERNATIONALE

PROBLEM VON HEUTE«

Henry Kissinger,„World Order”, August 2014