Großprojekt ITER : Das Feuer der Sonne auf die Erde holen

Die Kernfusion könnte ab 2050 Grundlage der Stromversorgung sein. Unser Zentralgestirn macht vor, wie es geht.

Der Versuchsreaktor ITER wird zur Zeit im südfranzösischen Caderache von Europa, Russland, Indien, China, Südkorea, Japan und den USA gebaut.
Der Versuchsreaktor ITER wird zur Zeit im südfranzösischen Caderache von Europa, Russland, Indien, China, Südkorea, Japan und den...

Günther Hasinger scheint auf die Frage nach der „Fusionskonstanten“ regelrecht zu warten. Auch wenn dieser Begriff anscheinend nur ein wenig augenzwinkernd darauf hinweist, dass Naturwissenschaftler und Ingenieure seit den 60er Jahren fest davon überzeugt sind, dass in 40 Jahren eine „Kernfusion“ genannte Technik elektrischen Strom liefern wird. 1960 hoffte man also auf den ersten Fusionsreaktor im Jahr 2000. Später, 1980, sollte die Kernfusion zumindest 2020 elektrischen Strom liefern. Und im Sommer 2010 nennt Günther Hasinger die Zeit um das Jahr 2050 als Beginn der kommerziellen Nutzung dieser Technik.

Auch wenn in der Zwischenzeit weltweit viele Forschungsmilliarden in die Kernfusion geflossen sind: Das Mantra „In 40 Jahren dürfte diese Technik Strom liefern“ hat sich nicht verändert. Physiker wie Günther Hasinger nennen einen solchen, anscheinend immer gleich bleibenden Wert eine Konstante. Durch nichts in der Welt lassen sich solche Konstanten ändern, lautet ein altes Dogma der Naturwissenschaft. Hasinger aber will das widerlegen. Der wissenschaftliche Direktor des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) in Garching möchte gemeinsam mit vielen Kollegen aus aller Welt die „Fusionskonstante“ in eine „Fusionsvariable“ verwandeln: 2020 soll es dann zum Beispiel nur noch dreißig Jahre bis zur kommerziellen Anwendung der Kernfusion dauern.

Die besten Argumente hierfür liefert die Sonne. Denn in ihrem Zentrum funktioniert diese Technik bereits seit mehr als vier Milliarden Jahren. Dort schweißt der Prozess pausenlos Wasserstoff-Atomkerne zu Helium-Atomkernen zusammen. In jeder Sekunde verfeuert der Stern so 564 Millionen Tonnen Wasserstoff. Dabei wird so viel Energie frei, dass die Sonne wie ein gigantischer Feuerball im Weltraum steht, der mit einem winzigen Bruchteil dieser Energie praktisch alles Leben auf der Erde am Laufen hält.

Das Sonnenfeuer aber lässt sich auf der Erde mit den heutigen Mitteln technisch kaum nutzen, weil dieser Prozess viel zu lange dauert. Nur deshalb reicht der Wasserstoffvorrat der Sonne auch für eine Brenndauer von rund zehn Milliarden Jahren. Allerdings gibt es drei unterschiedlich schwere Wasserstoff-Varianten, die als „Wasserstoff“, „Deuterium“ und „Tritium“ bezeichnet werden. Verschmelzen nicht – wie in der Sonne – die leichten Wasserstoffkerne miteinander, sondern Deuterium und Tritium, geht alles extrem viel schneller.

Genau deshalb untersuchen Physiker seit den 50er Jahren diesen Prozess, um damit auf der Erde das Sonnenfeuer zu entzünden. Sie kämpfen dabei mit zwei Randbedingungen. Erstens: Das Ganze klappt nur, wenn man die beiden Substanzen auf über 100 Millionen Grad aufheizt. Selbst im Inneren der Sonne aber sind es nur 15 Millionen Grad. Das zweite Stichwort lautet „zwei Sekunden“: So lange müssen innerhalb eines Würfels mit Kanten von einem Zentimeter Länge hunderttausend Milliarden Teilchen ohne Heizung von außen auf einer Temperatur von 200 Millionen Grad gehalten werden, damit das Sonnenfeuer auf Erden zündet. Bei Experimenten in den 70er- und 80er Jahren stellte sich dummerweise heraus, dass Turbulenzen die eingeschlossenen Teilchen ähnlich wie in einer beschädigten Thermoskanne viel schneller als erwartet abkühlen. Das hat die Fusionsforschung stark zurückgeworfen. Aber inzwischen lässt sich das Problem unter anderem mit einer am IPP entwickelten Methode lösen.

Günther Hasinger glaubt unter anderem deshalb, die Fusionskonstante in eine Variable umwandeln zu können: „In den letzten vierzig Jahren konnte das Produkt aus Temperatur, Dichte und dieser Einschlusszeit um einen Faktor von ungefähr 100 000 verbessert werden.“ Damit nähern sich die Fusionsforscher ihrem Ziel, das Feuer der Sonne auf die Erde zu holen ähnlich schnell, wie die Leistung von Computerchips verbessert wird. Und die haben ihre Leistung bisher immerhin alle 20 Monate verdoppelt.

Tatsächlich lag die Zündung bereits 1997 in Reichweite, als Forscher die Teilchen immerhin eine Sekunde beieinander halten konnten. Bis dahin hatten die Wissenschaftler bereits eine Reihe grundlegender Probleme gelöst. So gibt es zum Beispiel kein Material, das 100 Millionen Grad aushält. Daher sperren die Wissenschaftler die Teilchen in Magnetfelder ein; diesen Trick haben sie von der Sonne abgeschaut. Allerdings braucht man dazu spiralförmige Magnetfelder, die mit zwei völlig unterschiedlichen Methoden erzeugt werden: Unter anderem Andrej Sacharow hat in Russland bereits 1952 den „Tokomak“ entwickelt, in dem ein elektrischer Strom das Magnetfeld verdrillt. Der Aufbau des Tokomak ist relativ einfach. Allerdings funktioniert er nur im gepulsten Betrieb, der Reaktor müsste sozusagen immer wieder kurz ausgeschaltet und dann neu gezündet werden. Das aber beansprucht das Reaktormaterial sehr stark. Trotzdem stützen sich die allermeisten Fusionsexperimente heute auf dieses Prinzip.

Denn das zweite Konzept heißt Stellarator und vermeidet dieses ständige Ein- und Ausschalten, indem es die Magnetfeldspulen so verdrillt, dass sie das spiralförmige Magnetfeld direkt erzeugen. Allerdings ist die Anordnung der Spulen so kompliziert, dass erst Supercomputer der jüngsten Zeit einen Stellarator entwickeln konnten, an dem in Greifswald ab 2014 die Kernfusion genauer untersucht werden soll. Eine ähnliche Konstruktion arbeitet seit 1998 im japanischen Nagoya.

Erheblich mehr Erfahrung aber gibt es mit dem Tokomak, der auch in einem ITER genannten Versuchsreaktor stecken wird, der zur Zeit im südfranzösischen Caderache von Europa, Russland, Indien, China, Südkorea, Japan und den USA gemeinsam gebaut wird. Bis zum Jahr 2030 sollen dort die letzten großen Probleme auf dem Weg zu einem Fusionsreaktor gelöst werden. So gibt es zwar reichlich Deuterium auf der Erde. Tritium aber ist radioaktiv und muss daher erst erzeugt werden. Das aber soll der Reaktor selbst machen, weil bei der Kernfusion Neutronen entstehen. Deren Energie wird zum einen genutzt, um elektrischen Strom zu erzeugen. Neutronen können aber auch mit Lithium reagieren und erzeugen dabei Tritium.

Genau diese Reaktion soll ITER unter anderem erproben. Klappt das und spielen Industrie und Politik als Partner und Finanziers mit, könnte 2040 ein Demonstrationskraftwerk in Betrieb gehen – und ein Beginn des Fusionszeitalters um das Jahr 2050 wäre möglich.

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