Der Traum von der Kernfusion – Aufbruch in ein neues Energiezeitalter?

Das Plasmagefäss von ASDEX-Upgrade in Garching bei München
Das Plasmagefäss von ASDEX-Upgrade in Garching bei München

3sat hitec am 23. März 2009, um 21:30h

Der Film in der 3sat Mediathek als Onlinestream:

Die Suche nach hocheffizienten und umweltgerechten Energiequellen ist eine der größten Herausforderungen der Menschheit. Seit Jahrzehnten verspricht sich eine Heerschar von Forschern die Lösung durch ein besonderes Verfahren: die Kernfusion.

Das Prinzip der Kernfusion ist von der Sonne abgeguckt.

Wenn es gelingen sollte, tatsächlich einmal Kernfusionskraftwerke zu betreiben, so die Forscher, wäre das ein Segen für die Menschheit: Energie im Überfluss. Und das Beste: die benötigten Brennstoffe, Wasserstoffisotope, gibt es in fast beliebiger Menge in den Ozeanen. Ein Kilogramm Wasserstoff würde in etwa so viel Energie liefern wie heute 11.000 Tonnen Kohle.

Vergleichsweise sicher

Die Gefahr eines Unfalls sei gering: denn bei der kleinsten Störung breche die Fusion ab. Der unersättliche Hunger der Menschheit nach Energie könnte so auf ewig gestillt werden. Im Labor jedoch lässt sich die Sonne nicht so einfach nachbauen. Zudem, so Kritiker, werde auch bei dieser Nukleartechnik radioaktives Material entstehen – wenn auch in vergleichsweise geringer Menge.

Nach dem Vorbild der Sonne

Die Sonne besteht zum größten Teil aus so genanntem Plasma – ein hoch erhitztes Gas aus Molekülen und Elektronen. Wasserstoffmoleküle verschmelzen, Helium entsteht. Und somit: Unmengen von Energie. Wenn das Plasma erst einmal brennt, werden enorme Energiemengen produziert – mehr als zur Erhaltung des Sonnenfeuers notwendig ist – eine Art Perpetuum Mobile wird in Gang gesetzt. Diesen Prozess nennt man Kernfusion.

Über 100 Millionen Grad Celsius

Im Innern der Sonne reicht eine Temperatur von 15 Mio. Grad, um Fusionsprozesse auszulösen. Auf der Erde müssen allerdings Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius erreicht werden. Nur so kann man, den hohen Druck der auf der Sonne herrscht kompensieren. Erst dann kann ein Plasma gezündet werden. Damit dies gelingt, haben sich Physiker einige Tricks ausgedacht.

Hier drinnen wird´s über 100.000.000 Mio. Grad heiß!
Hier drinnen wird´s über 100.000.000 Mio. Grad heiß!

Das Plasma wird durch den Beschuss mit Neutralteilchen und Mikrowellen in einem ringförmigen Vakuum in Sekundenbruchteilen auf über 100.000.000 Grad Celsius aufgeheizt. Das Aufheizen des Plasmas ist dabei nicht das Problem. Viel schwieriger ist es, die hohe Temperatur des Plasmas in der Fusionskammer zu halten.

Kommt das Plasma mit der Innenwand der Fusionsröhre in Berührung, kühlt es sofort wieder ab und die Fusion bricht ab. Dies zu verhindern ist die große Herausforderung der Fusionsforschung.

Wenn die Fusion funktioniert. Wie realistisch ist das Versprechen unbegrenzt klimafreundliche Energie zu erzeugen? Noch können die Wissenschaftler die hohe Temperatur des Plasmas auf der Erde nicht lange genug stabil halten.

Die ersten Ideen zur Kernfusion

Die Vision, die Energie der Sonne auf die Erde zu holen, wird im November 1952 zur Realität. Auf einem Pazifik-Atoll explodiert die erste Wasserstoff- bombe. Eine Energiemenge wird frei, wie sie vorher auf diesem Planeten noch nie beobachtet wurde.

Entfesselung des Sonnenfeuers

Der Feuerball dieser künstlichen Sonne wächst in wenigen Sekunden auf fast 5 Kilometer Durchmesser an und vernichtet weitläufig alles Leben. Zum Vergleich: Der Feuerball der Hiroshima-Bombe erreichte „nur“ einen Durchmesser von 160 Metern.

Die Entfesselung des Sonnenfeuers ist eine fürchterliche Waffe. Schon kurz nach der Explosion der Wasserstoffbombe fragten sich Wissenschaftler, wie man diese enorme Energiequelle friedlich nutzen könnte. Die Antwort auf diese Frage wird mittlerweile seit Jahrzehnten gesucht.

Wer das Plasma verstehen will, muss rechnen
Wer das Plasma verstehen will, muss rechnen

Der selbst organisierte Plasma-Zustand

Und es wurden immer wieder Hürden überwunden. Anfang der 80er Jahre etwa steckte die Fusionsforschung in einer Sackgasse, bis Friedrich Wagner eine wichtige Entdeckung machte: einen selbst organisierten Plasma-Zustand. Die so genannte H-Mode. Durch diese Entdeckung konnte man die Wärmeisolation deutlich verbessern.

IPP Kontrollraum - Prof. Hasinger & Prof. Wagner
IPP Kontrollraum - Prof. Hasinger & Prof. Wagner

Prof. Friedrich Wagner:
„Die Natur und die Naturgesetze sorgen für Ordnung. Und das ist auch etwas, was sich bei uns in unseren Plasmen abspielt. Und die H-Mode ist vielleicht der wertvollste Selbstordnungsprozess, der abläuft. Wenn ich also frage nach dem Verständnis des Plasmas, dann ist das eine ganz große Frage. Da frage ich nach vielen, vielen Dingen. Da frage ich sozusagen nach den atomistischen Dingen, da frage ich also nach den Wechselwirkungen geladener Teilchen und da frage ich – und da wird es kompliziert – nach dem kollektiven Verhalten in dem Plasma.“

Die internationale Fusionsforschung hat bereits Milliarden an Steuergeldern verschlungen. Und selbst nach fünfzig Jahren ist man immer noch nicht in der Lage, die Prinzipien der Sonne erfolgreich für die Kernfusion auf der Erde zu übertragen. Ist die Fusionsforschung ein Fass ohne Boden?

DPDG Norbert Holtkamp mit Pressechef Neil Calder
DPDG Norbert Holtkamp mit Pressechef Neil Calder

ITER – eine internationale Mammutaufgabe

In Cadarache, im Südwesten Frankreichs, baut ein multinationales Konsortium ein Forschungskraftwerk, in dem erstmals die Kernfusion in großem Maßstab gelingen soll. Der Name des Kraftwerks: ITER, lateinisch für „der Weg“.

Ein schwerer Weg: Allein der Aufwand für die Bauarbeiten ist enorm. Über 200 Lkw-Konvois benötigen verbreiterte Straßen, veränderte Kurvenführungen und verstärkte Brücken. Immerhin müssen bis zu 600 Tonnen schwere Teile transportiert werden. Der Kernfusions-Reaktor wird wohl weit über fünf Milliarden Euro kosten – wesentlich mehr als ursprünglich veranschlagt. Ein größeres Wissenschaftsprojekt ist wohl noch nie versucht worden.

„Rohstoff“ in fast beliebiger Menge

2018 soll der Testreaktor stehen. Mit ihm wollen die Wissenschaftler zeigen, dass es möglich ist, durch Kernfusion Energie zu gewinnen. Der Clou: der „Rohstoff“ Wasserstoff steht in fast beliebiger Menge in den Ozeanen zur Verfügung. Und: Bei der Kernfusion entsteht kein CO2 und nur geringe Mengen radioaktives Material.

Für das Gelingen des Riesenprojekts ist ein deutscher Physiker verantwortlich. Norbert Holtkamp arbeitet in einem internationalen Team. Keine einfache Aufgabe, vor allem, weil jedes Land die entscheidenden Komponenten des Fusionsreaktors selbst bauen will. Das treibt die Kosten immer weiter in die Höhe.

Dr. Norbert Holtkamp:
„Der wirkliche Wert in ITER steckt in der Technologie, im Betrieb, im Bau. Und in dem, was Menschen daraus lernen. Was Wissenschaftler und Techniker daraus lernen, um das dann im eigenen Land machen zu können. Wenn man ITER schnell, billig oder billiger und einfacher bauen würde, dann würde man das nicht notwendigerweise machen mit sieben Ländern, die dabei beteiligt sind, sondern eines der großen Ziele hier ist Technologieentwicklung und Technologietransfer.“

Das Blanket - in diesem Wandteil entsteht Tritium - ein Fusionsbrennstoff
Das Blanket - in diesem Wandteil entsteht Tritium - ein Fusionsbrennstoff

Experiment zur Beantwortung vieler ungeklärter Fragen

Noch existiert ITER vor allem in den Computern der internationalen Planungsingenieure. Neben Europa beteiligen sich an ITER Russland, die USA, China, Indien, Japan und Südkorea. Alles Staaten mit einer eigenen Atomindustrie. Und Länder in denen mehr als 50 Prozent der Weltbevölkerung leben. Sie alle wollen den ersten Fusionsreaktor bauen, der mehr Energie produziert, als er zur Erzeugung benötigt. Und der Reaktor dient als Experiment zur Beantwortung vieler ungeklärter Fragen.

Im zukünftigen Fusionskraftwerk ITER sind die Reaktorwände radioaktiv. Denn die Brennstoffmischung soll aus schwerem Wasserstoff und radioaktiven Tritium bestehen. Diese Mischung verspricht die höchste Energieausbeute.

Beide Stoffe gibt es im Prinzip im Überfluss: Schwerer Wasserstoff in den Weltmeeren. Und Tritium kann in einem Reaktor aus Lithium hergestellt werden. Ein Gramm dieses Fusionsbrennstoffes hat die Energie von 11 Tonnen Kohle. Die in der Reaktorwand entstehende Wärme kann über Dampferzeuger in elektrischen Strom umgewandelt werden.

In Frankreich ist man überzeugt: Mit dem Forschungsreaktor ITER steigen die Chancen, eines Tages effiziente Energie aus Kernfusion zu gewinnen.

Die Fusionsanlage ASDEX-Upgrade am Institut für Plasmaforschung in Garching bei München
Die Fusionsanlage ASDEX-Upgrade am Institut für Plasmaforschung in Garching bei München

Die Kernfusionsanlage in Garching

In Garching bei München liegt das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik – eines der weltweit führenden Institute im Bereich der Kernfusion. Hier steht eine besondere Kernfusionsanlage vom Typ Tokamak.

Der russische Begriff Tokamak bezeichnet eine ringförmige Vakuumkammer – ein Prinzip, das Grundlage für ein zukünftiges Fusionskraftwerks sein könnte.

Fast die Hälfte der Leistung des Münchner Stromnetzes

Günther Hasinger leitet die Experimente mit dem Tokamak-Reaktor. Er glaubt daran, dass es auch auf der Erde gelingen wird, Fusionsenergie wirtschaftlich zu erzeugen. An Hasingers Institut wurden bahnbrechende Entdeckungen gemacht. Erkenntnisse, die den Weg zum Fusionsreaktor ITER in Frankreich ebnen, der ebenfalls ein Tokamak sein wird.

Um eine Kernfusion künstlich zu erschaffen, braucht man kurzfristig viel Energie. So viel Energie kann nicht direkt aus dem Münchner Stadtnetz genommen werden. Drei Schwungradgeneratoren stellen dem Institut über 400 MW für die Versuche zur Verfügung – fast die Hälfte der Leistung des gesamten Münchner Stromnetzes.

Der enorme Stromverbrauch steht symptomatisch für das größte Problem der Fusionsforschung: Noch immer muss man mehr Energie in die Herstellung der Fusionsbedingungen stecken, als bei der Fusion wieder herauskommt.

Scientists at Work
Scientists at Work

Plasma in der Schwebe halten

Prof. Günther Hasinger:
„Wir sehen hier ein Plasma. Ein Plasma ist ein ionisiertes Gas, ein sehr stark erhitztes Gas, wo die Elektronen und die Ionen alle allein frei herumfliegen. Und das kann durch ein Magnetfeld und ein elektrisches Feld beeinflusst werden. Also ich kann hier mit einem kleinen Magneten dieses Plasma deutlich beeinflussen. Und das ist genau das Gleiche, was wir im großen Maßstab im Torus machen.“

Der Magnetfeldkäfig von Garching soll das Plasma so beeinflussen, dass es die Wände der Fusionskammer nicht berühren kann. Sonst kühlt es sofort wieder ab. Es muss also in der Schwebe gehalten werden. In einer Ringform wie dem Tokamak gelingt dies bislang am besten. Aber immer noch nicht gut genug. Das Hauptproblem ist der Dauerbetrieb. In der Mitte des Tokamaks muss immer wieder neuer Heizstrom erzeugt werden.

Ein gravierender Nachteil. Doch die Forscher betonen auch die Vorteile der Technik. Wird etwa das Magnetfeld ausgeschaltet, fällt das Plasma sofort in sich zusammen. Ein Unfall mit katastrophalen Folgen wie etwa im Atomreaktor von Tschernobyl ist unmöglich. Und klimaschädliche Emissionen treten bei der Kernfusion auch nicht auf.

Unbekannte Faktoren

Die Fusionsenergie steckt in den Neutronen. Weil die nicht geladen sind, rasen sie durch den Magnetfeldkäfig direkt in die Stahlwände. Noch weiß niemand genau, welchen Belastungen die Wände eines Fusionskraftwerkes wirklich ausgesetzt wären. Bis heute können die Wissenschaftler das nicht überprüfen. Sicher ist: Der Stahl wird nicht nur radioaktiv, sondern auch mürbe.

Die Garchinger Physiker haben kürzlich einen weiteren Trick entdeckt, um den Fusionsprozess zu verbessern: Wenn man das Plasma mit Stickstoff in Berührung bringt, beruhigt es sich – und wird heißer. Die Energieausbeute lässt sich so verdoppeln. Noch weiß niemand warum.

Das Plasmagefäß von Wendelstein 7-X
Das Plasmagefäß von Wendelstein 7-X

Technologische Alternative: der Stellarator
Was passiert, wenn den Forschern ein Dauerbetrieb mit dem Tokamak nicht gelingt? Es gibt eine technologische Alternative: den so genannten „Stellarator“. Der kann von vornherein im Dauerbetrieb arbeiten.

Der Stellarator wird nicht durch einen Strompuls angetrieben, sondern ausschließlich durch Magnetspulen. Die Magnetspulen, die dafür benötigt werden, sind jedoch wesentlich komplexer als bei einem Tokamak.

Supraleitende Magnetspulen
Supraleitende Magnetspulen

Ungewöhnlich geformte Magnetspulen

Jürgen Nührenberg hat im Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft in Garching die optimale Anordnung der Magnetspulen berechnet. Die Geometrie ist so komplex, dass sie der Mensch allein nicht mehr erfassen kann. Erst durch leistungsfähige Supercomputer konnten die neuartigen Spulen berechnet und entwickelt werden.

Auf der Basis von Nührenbergs Berechnungen wird in Greifswald ein einzigartiger Stellarator gebaut, der Wendelstein. In der Greifswalder Werkhalle vermessen Techniker mit Lasern die ungewöhnlich geformten Magnetspulen. Sie müssen prüfen, ob die hochsensiblen Teile exakt den Vorgaben entsprechen. Es kommt auf Millimeter an.

Prof. Jürgen Nührenberg
Prof. Jürgen Nührenberg

Eine der komplexesten Maschinen der Welt

Jede der 70 Magnetspulen kostet über eine Million Euro. Bis zur Fertigstellung im Jahr 2014 wird der Stellerator über 400 Mio. Euro verschlingen. Die Aufhängungen für die Magnetfeldspulen stehen unter enormer Belastung. Die Magnetkraft drückt mit über 700 Tonnen auf die tragenden Teile.

Wenn der Stellarator eingeschaltet wird, wirken die magnetischen Kräfte aus unterschiedlichsten Richtungen auf die Vakuumkammer. Die Magnete gehören zu den stärksten, die es auf der Welt gibt. Ihre ganze Kraft entwickeln sie allerdings erst, wenn sie mit flüssigem Helium auf Minus 269 Grad Celsius abgekühlt werden. Die Magnetspulen werden so supraleitend, d. h. der Strom kann ohne elektrischen Widerstand fließen.

Für den Greifswalder Stellarator wurden spezielle supraleitende Kabel hergestellt. Die verbinden die einzelnen Magnetspulen. Das Kabelsystem wurde millimetergenau geformt. Die Kabelrohre werden später mit flüssigem Helium geflutet und von Spezialisten zusammengesetzt. Auch die Röhren sind enormen Belastungen ausgesetzt. So müssen sie etwa Temperaturen von Minus 269 Grad und eine Spannung von über 13.000 Volt aushalten.

Für den Transport der Supraleiter werden spezielle Techniken angewandt: Die Männer nutzen Helium-Ballons, um so sanft wie möglich vorzugehen. Es muss verhindert werden, dass sich die Supraleiter verbiegen. Die einzelnen Segmente sind exakt maßgeschneidert.

Das ITER-Projekt wird profitieren

Jeder Handgriff, der hier am Stellerator gemacht wird, kommt auch dem ITER-Projekt in Frankreich zugute.

Prof. Thomas Klinger & Prof. Jürgen Nührenberg
Prof. Thomas Klinger & Prof. Jürgen Nührenberg

Prof. Thomas Klinger:
„Wir entwickeln hier allerlei Technologien, die von unmittelbarer Bedeutung für ITER sind. Das ist das eine. Ein direkter Technologietransfer, das hat mit den tiefen Temperaturen zu tun, das hat mit supraleitenden Magneten zu tun, das hat mit Stahlbau, mit Fügen von Stahlelementen zu tun, mit Bauen von Maschinen zum Handhaben, usw., usw. Wir ertüchtigen die Industrie, überhaupt Komponenten für ITER bauen zu können. Wenn es das erste Mal gemacht wurde, dann kann man es. Sonst kann man’s nicht.“

Seit einem halben Jahrhundert quälen sich Physiker auf der ganzen Welt damit herum, das Fusionsfeuer auf der Erde zu entfachen und zu kontrollieren. In fünf Jahren soll in Greifswald das erste Experiment mit dem Wendelstein-Stellerator starten. Für ein richtiges Kraftwerk ist der noch zu klein, doch die Forscher versprechen sich viel davon.

Schon planen Forscher das Fusionskraftwerk der nächsten Generation. Spätestens 2050 soll es dann endlich wirtschaftlich nutzbare Fusions-Energie geben.

Technologie der Zukunft!
Technologie der Zukunft!

1 comment on “Der Traum von der Kernfusion – Aufbruch in ein neues Energiezeitalter?Add yours →

  1. The mystery of chess is even not employed.
    But People think on fusion!!!
    This is the dance with the devil

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