Kontrolliertes Sonnenfeuer auf der Erde

Die kontrollierte Kernfusion wird seit den 1960er Jahren für machbar gehalten. Eine lange, aufwändige Entwicklung führte zu Plänen für einen ersten Reaktor, der mehr Energie produziert als er benötigt: Den Internationalen Thermonuklearen Experimentalreaktor ITER.

Schema der Fusionsreaktion

Die langfristige Energieversorgung der Menschheit ist eine große Herausforderung. Die Ressourcen an fossilen Energieträgern sind begrenzt: Erdöl und Erdgas werden den Bedarf nur noch für eine endlich lange Zeit decken. Zudem muss ihr Verbrauch wegen des steigenden CO₂-Gehalts der Atmosphäre reduziert werden. Der Menschheit stehen gegenwärtig mit den erneuerbaren Energien und der Kernenergie zwei Möglichkeiten zur Verfügung, Energiedienstleistungen praktisch CO₂-frei zur Verfügung stellen zu können. Ob dies längerfristig für einen immer weiter steigenden Energiebedarf der Weltbevölkerung ausreichen wird, ist heute nicht abschließend beantwortbar. Aus diesem Grund soll in weltweiter Arbeitsteilung mit der Kernfusion langfristig eine weitere CO₂-freie Energiequelle erschlossen werden. Damit könnte die Menschheit für ihre Energieversorgung im Prinzip den gleichen Prozess nutzen, mit dem die Sterne ihre Energie erzeugen. Es wird also versucht, einen uralten Traum zu erfüllen, nämlich „die Sonne auf die Erde zu holen“.

Welche Physik steckt dahinter?

Wie alle Sterne gewinnt die Sonne die von ihr abgestrahlte Energie aus der Fusion, der Verschmelzung leichter Atomkerne verschiedener Isotope des Wasserstoffs zu Helium. Dabei wandelt sich ein kleiner Teil der Masse m der Atomkerne gemäß der Einstein-Beziehung E=mc² in kinetische Energie der Verschmelzungsprodukte um (s. Abb. 1). Auf diese Weise erzeugt die Sonne die ungeheure Strahlungsleistung von 10²⁶ Watt. Ziel der weltweiten Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen ist es, die Kernfusion in einem Kraftwerk so kontrolliert zu betreiben, dass sie auch direkt zur Energieerzeugung auf der Erde genutzt werden kann. Obwohl sich die Realisierung eines „irdischen Sonnenfeuers“ als schwieriger herausgestellt hat, als man in den 50er und 60er Jahren wissen konnte, steht man heute, mit den Planungen für den ersten Testreaktor ITER, wesentlich näher vor der Verwirklichung eines Fusionskraftwerkes, als noch vor wenigen Jahren. Die kontrollierte Kernfusion ist ein langfristiges Ziel. Angesichts des großen Energiepotenzials, das erschlossen werden könnte, wird verständlich, weshalb die hoch industrialisierten Länder so große und vielfältige Anstrengungen auf diesem Feld der Physik unternehmen.

Fusion von Wasserstoff

Um zwei gleichnamig geladene Atomkerne zu verschmelzen, muss zunächst deren Abstoßung aufgrund der Coulomb-Kraft überwunden werden. Dies kann nur gelingen, wenn die Kerne mit hoher Geschwindigkeit aufeinander zu fliegen. Dazu muss man das Gasgemisch, das die Kerne enthält, auf Temperaturen von etwa 100 bis 200 Millionen Grad bringen. Abb. 1 zeigt die günstigste Verschmelzungsreaktion, die zwischen dem schwerem Wasserstoff (D, Deuterium) und dem überschwerem Wasserstoff (T, Tritium). Bereits bei Temperaturen von etwa 10.000 Grad werden die Atome eines Gases ionisiert. Dann bewegen sich Wasserstoffionen und Elektronen getrennt voneinander. Diesen Zustand bezeichnet man als Plasma. Da ein Plasma im Wesentlichen geladene Teilchen enthält, kann man es mit Magnetfeldern einschließen. Das ist ein sehr großes und anspruchsvolles technisches Problem. Es muss aber gelöst werden, denn keine materielle Wand würde den hohen Temperaturen auch nur annähernd standhalten, die zur Fusion nötig sind.

Tokamak und Stellarator

Magnetischer Einschluss heißer Plasmen

Während in den 60er und 70er Jahren noch viele unterschiedliche Konzepte für den magnetischen Einschluss untersucht wurden, haben sich inzwischen zwei Konfigurationen herausgeschält: der Tokamak und der Stellarator (s. Abb. 2). In beiden Fällen erzeugen Spulen ein ringförmiges Magnetfeld. Wegen seiner Krümmung ist dieses Feld aber zu inhomogen, um das Plasma einschließen zu können. Um das Magnetfeld homogen zu machen, muss man seine Feldlinien mit Hilfe eines weiteren Feldes schraubenförmig um den Ring „wickeln“. Beim Tokamak geschieht dies durch eine zentrale Transformatorspule, deren Magnetfeld im Plasma, als der „Sekundärspule“ dieses Transformators, einen Ringstrom induziert. Dessen Magnetfeld verdrillt die zuvor kreisförmigen Feldlinien. Zugleich heizt der Strom das Plasma sehr effektiv auf. Beim Stellarator hingegen wird die Verdrillung der Feldlinien allein durch äußere Spulen erzeugt. Dadurch kann das Magnetfeld vollständig von außen vorgegeben und im Hinblick auf den Teilcheneinschluss optimiert werden. Außerdem kann der Stellarator prinzipiell im Dauerbetrieb arbeiten. Beides ist beim Tokamak nur mit hohem Aufwand möglich. Dem Tokamak hat jedoch die Möglichkeit, das Plasma sehr effektiv heizen zu können, einen großen Entwicklungsvorsprung verschafft, so dass er zur Zeit der am weitesten fortgeschrittene Bautyp ist. Doch auch die Arbeiten am Stellarator machen rasche Fortschritte. So wird derzeit der optimierte Stellarator Wendelstein 7-X in Mecklenburg-Vorpommern im Teilinstitut Greifswald des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik aufgebaut (s. Abb. 3).

Superheisses Plasma

Um das Plasma auf die hohen Temperaturen zu erhitzen, wie sie für die Kernfusion nötig sind, strahlt man hochfrequente Radio- und Mikrowellen in das Plasma ein oder beschießt es mit Teilchenstrahlen. Auf diese Weise erreicht man heute routinemäßig Temperaturen von mehreren hundert Millionen Grad. Es hängt aber nicht nur von der Temperatur ab, ob ein Plasma „brennt“ und mehr Energie durch Fusion erzeugt, als zum Aufheizen des Plasmas verbraucht wird. Der aussagekräftigste Parameter zur Bewertung von Fusionsplasmen ist das Fusionsprodukt aus Plasmadichte, Plasmatemperatur und der Energieeinschlusszeit, die angibt, wie gut das Plasma gegen Wärmeverluste isoliert ist. Das Fusionsprodukt ist in den vergangenen 40 Jahren um den Faktor 25.000 verbessert worden. Dabei musste man einige unerwartete Schwierigkeiten überwinden. Insbesondere ist die Energieeinschlusszeit deutlich kürzer, als man aufgrund theoretischer Überlegungen erwartet hatte. Erst in den letzten Jahren konnte gezeigt werden, dass dies mit Turbulenzen im Plasma zusammenhängt, deren Wirbel zu erhöhten Energieverlusten führen. Der unerwartet schlechte Energieeinschluss führte dazu, dass Fusionsexperimente heute deutlich größer und aufwendiger sind, als ursprünglich angenommen. Durch die Vergrößerung der Isolationsstrecke lässt sich der Energieeinschluss des Plasmas jedoch verbessern.

Heute erreicht das Fusionsprodukt ein Fünftel des Wertes, bei dem ein Fusionsplasma mehr Energie produziert, als für seine Erzeugung und Aufrechterhaltung aufgebracht werden muss. Bisher wurde bei fast allen Experimenten reines Deuteriumplasma benutzt, um den technischen Aufwand einzusparen, der mit dem Einsatz des radioaktiven Tritiums verbunden ist. Da man mittlerweile in den Zustandsbereich eines energieerzeugenden Plasmas kommt, müssen auch die direkt mit Deuterium-Tritium-Plasmen zusammenhängenden Fragen beantwortet werden. Solche Experimente mit Deuterium-Tritium-Plasmen fanden in den vergangenen Jahren in zwei großen Tokamaks statt: zuerst im europäischen Tokamak-Experiment JET (Joint European Torus) in Culham bei Oxford, dann auch im TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) in Princeton, New Jersey.

JET – der erste Schritt

Computergraphik zur Vorbereitung der Fusionsanlage Wendelstein 7-X

JET, als das weltweit größte Fusionsexperiment, hat Wesentliches zur Untersuchung heißer Plasmen beigetragen. Insbesondere hat es mit Deuterium-Tritium-Plasmen erstmals Fusionsenergie in großem Maßstab erzeugt. Unter anderem hält JET den Weltrekord mit einer Fusionsleistung von 17,6 MW. Bei diesen Experimenten wurde eine Energieverstärkung von Q = 0,65 erreicht, d. h. die durch Fusion gewonnene Leistung betrug 65 Prozent der Leistung, die für die Aufrechterhaltung und Heizung des Plasmas benötigt wurde. Um die physikalische und technische Machbarkeit eines Fusionskraftwerkes zu zeigen, muss man allerdings ein Plasma erzeugen, das wesentlich mehr Energie produziert, als für die Heizung aufgebracht werden muss, also z. B. Q > 10.

ITER – einen Schritt weiter

Dass die Fusionsforschung große und damit kostenträchtige Apparaturen benötigt, wird durch enge internationale Zusammenarbeit ausgeglichen. Innerhalb Europas wird die Forschung in den 13 nationalen Fusionslaboratorien durch die Europäische Atomgemeinschaft Euratom koordiniert. Außerdem betreibt man gemeinsam das oben erwähnte Projekt JET in Culham. Der nächste Schritt auf dem Weg zu einem Fusionskraftwerk soll sogar in weltweiter Zusammenarbeit erfolgen: Seit 1988 wird in einer Kooperation der Europäischen Gemeinschaft, der USA, Japans und Russlands ein gemeinsames Fusionsexperiment geplant, der „Internationale Thermonukleare Experimentalreaktor“ ITER (s. Abb. 4). ITER soll ein Plasma erzeugen und einschließen, das deutlich mehr Leistung durch Fusion produziert, als für seine Aufrechterhaltung notwendig ist. Zudem soll ITER auch die technologischen Entwicklungen vorantreiben, die zur Realisierung eines Fusionskraftwerkes benötigt werden.

Entwurf für ITER, den Internationalen Thermonuklearen Experimentalreaktor

Während sich die USA inzwischen – zumindest vorübergehend – aus dem ITER-Projekt zurückgezogen haben, geht die Planung jetzt in die Endphase. Im Dezember 1999 wurde ein Zwischenbericht vorgelegt und im Juni 2001 soll der Entwurf endgültig fertiggestellt sein, so dass dann über einen Baubeschluss beraten werden kann. Die Anlage wird eine Fusionsleistung von 500 MW erzeugen, und dabei eine Energieverstärkung von Q = 10 erreichen. Gleichzeitig soll ITER alle notwendigen technischen Voraussetzungen für den nächsten Schritt schaffen, den Bau eines Demonstrationskraftwerks.

Mit dem Betrieb von ITER hofft man, die Machbarkeit eines Fusionskraftwerkes demonstrieren zu können. Das wäre, nach der langen Zeit der Forschung mit ihren Rückschlägen, ein ganz entscheidender Durchbruch. Allerdings gibt es auch in technischer Hinsicht noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Insbesondere müssen hochbelastbare Materialien für die Innenwand der Plasmakammer sowie neutronenbeständige Strukturmaterialien entwickelt werden. Außerdem müssen Erfahrungen beim Bau großer supraleitender Magnete und beim Erbrüten des Brennstoffs Tritium aus Lithium gesammelt werden.

Und die Umwelt?

Auch bei der Fusion nutzt man Kernkräfte. Die Sicherheits- und Umwelteigenschaften eines Fusionskraftwerkes sind jedoch ungleich günstiger, als die eines herkömmlichen Kernkraftwerks, so dass man eine deutlich größere Bereitschaft der Bevölkerung erwarten kann, der Nutzung dieser Energieform zuzustimmen. Die zwei für die Fusion charakteristischen Problembereiche sollen jedoch nicht verschwiegen werden:

Tritium ist ein radioaktives, leicht flüchtiges Gas, das in der Natur wegen seiner kurzen Halbwertszeit von 12,3 Jahren nicht vorkommt. Es wird mit den bei der Reaktion entstehenden Neutronen aus Lithium erbrütet, innerhalb der Anlage extrahiert und wieder „verbrannt“. Es muss verhindert werden, dass das Tritium aus der Anlage entweicht. Die dazu notwendigen Techniken sind bereits erfolgreich erprobt worden. Die bei der Fusionsreaktion entstehenden Neutronen tragen nicht nur den größten Teil der gewonnenen Energie, sondern sie aktivieren auch die Strukturmaterialien, die das Plasma als Wand umgeben. Aus diesem Grunde werden für Fusionskraftwerke derzeit neue Materialien entwickelt, die nur gering (radio-)aktiviert werden können. Damit soll erreicht werden, dass über 90 Prozent der Materialien in einem Fusionskraftwerk nach einer Wartezeit von höchstens 100 Jahren wieder freigegeben oder wiederverwertet werden können.