Es könnte so schön sein: Ein Gramm Brennstoff liefert die Energie von elf Millionen Gramm Kohle – ohne das Klima zu belasten. Der Nachschub ist so reichlich wie das Wasser der Weltmeere. Die entstehende Radioaktivität ist viel geringer als die der Kernspaltung; und ein GAU könne in einem Kernfusionsreaktor nie und nimmer passieren.

So oder so ähnlich geht das Loblied auf die Kernfusion, bei der die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium zu Helium verschmelzen. Dass dabei Energie frei wird, geht auf Albert Einsteins berühmte Formel E = mc² zurück. Denn die Masse des bei der Fusion entstehenden Heliums ist geringer als die Summe der Masse der Ausgangskerne – das Defizit wird zu Energie. Eine ähnliche Fusionsreaktion findet im Inneren der Sonne statt: Sie bringt das Licht ins Universum.

Iter
© ITER
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernITER
In einer ringförmigen Brennkammer von etlichen Metern Durchmesser sollen im Kernfusionsreaktor ITER Wasserstoff- zu Heliumkernen verschmelzen und dabei Energie freisetzen. Die Kammer hat den für Tokamaks typischen "D"-Querschnitt.
Seit 60 Jahren versuchen sich Physiker daran, aus dieser Sternenreaktion eine Energiequelle zu machen. Dazu muss ein hunderte Millionen Grad heißes Deuterium-Tritium-Plasma längere Zeit eingeschlossen und stabil gehalten werden, was mit einem Käfig aus Magnetfeldern gelingen soll. Diese sind so orientiert, dass sie die geladenen Teilchen im Plasma immer dann ablenken, wenn sie einer Wand zu nahe kommen. Aber schon während der 1950er Jahre zeigte sich, dass man das Plasma unterschätzt hatte. Es verhielt sich ab einer gewissen Temperatur wie eine Flüssigkeit, und insbesondere am Rand des Käfigs bildeten sich Wirbel aus, die den Einschluss durch die Magnetfeldlinien zunichtemachten.

Zwar gab es immer wieder Fortschritte im Kampf gegen solche Instabilitäten, etwa die Entwicklung des so genannten Tokamaks (Transliteration aus dem Russischen für "Toroidale Kammer in Magnetspulen") in den 1960er Jahren, in dem das Plasma länger eingeschlossen werden konnte als in allen bis dahin entwickelten Reaktortypen. Oder 20 Jahre später die Entdeckung einer bestimmten Betriebsart dieses Reaktortyps – die so genannte H-Mode –, die das Ausbilden einer besonders hartnäckigen Turbulenz am Rand des Plasmagefäßes verhindert. Aber obwohl man damit in der Lage ist, ein Plasma 3000 Mal so lange zu halten und 3000 Mal heißer zu machen als vor 50 Jahren, ist die Fusionsenergie nach wie vor Zukunftsmusik.

Der Fortschritt ist eine Schnecke

Jetzt gerade entsteht im südfranzözischen Cadarache der Internationale Thermonukleare Experimentalreaktor (ITER), der als erstes Fusionsexperiment eine positive Energiebilanz aufweisen soll. Das gelang noch keinem seiner Vorgänger, auch wenn die letzte Generation der großen Tokamaks in den 1990er Jahren diesem Ziel recht nahe kam. Der europäische Testreaktor JET zum Beispiel konnte 1996 ungefähr 65 Prozent jener Energie erzeugen, die zur Heizung des Plasmas aufgewendet wurde. Über einen längeren Zeitraum gerechnet schrumpfte dieses Verhältnis allerdings auf 20 Prozent, und miteingerechnet waren weder die Magnete, der Betrieb der Elektronik der Anlage noch der Plasmastrom, der in jedes Tokamak-Plasma induziert werden muss.

Der 16 Milliarden Euro teure ITER soll nun ab der Mitte der 2020er Jahre das Zehnfache seiner Heizenergie erzeugen und damit die Realisierbarkeit eines Fusionskraftwerks beweisen. Ob ein solches auch wirtschaftlich arbeiten kann, untersucht ab 2050 das Testkraftwerk DEMO – wenn es denn je realisiert wird. Im Anschluss daran, ab 2060, könnten dann erste Fusionsmeiler gebaut werden. Das Büro für Technikfolgenabschätzung beim Deutschen Bundestag (TAB) schätzt, dass bis dahin noch mindestens 80 Milliarden Euro investiert werden müssten – sie kämen zu jenen 45 Milliarden hinzu, die die weltweite Fusionsforschung bis heute gekostet hat. Dabei ist noch längst nicht gesichert, dass die Sonne jemals gezähmt werden kann.

Baugelände für Iter
© ITER
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernBaugelände für ITER
Im südfranzösischen Cadarache soll in den kommenden Jahren der Kernfusionsreaktor ITER entstehen.
Bei ITER setzen die Physiker ihre Hoffnungen in ein Plasma, das sich von seinen Vorläufern unterscheidet. Zum einen wird bereits ein Teil der Heizleistung von der frei werdenden Fusionsenergie beigesteuert, zum anderen entstehen erstmals signifikante Mengen von Helium im Plasma. Die Fusionsforscher sind deshalb zuversichtlich, dass sie diesmal nicht so große Überraschungen erleben wie in der Vergangenheit: "Wir glauben nicht, dass in ITERs Plasma irgendwelche Dinge passieren, die wir nicht vorhersehen können", sagt Hartmut Zohm vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching.

Dem pflichtet sein Kollege Thomas Klinger von der IPP-Zweigstelle in Greifswald bei: "Ausschließen kann man Probleme nie, aber sie wären eine riesige Überraschung." Dennoch wird erst ITER praktische Gewissheit geben. Mehrere Experimente, die ein brennendes Plasma – also eines, dessen Heizung komplett ausgeschaltet werden kann – untersuchen sollten, wurden nach der Planungsphase nicht verwirklicht. Sie waren zu teuer, und es war nicht zu klären, ob sie wirklich zünden würden.

Robuste Wände gesucht

Eine andere offene Frage betrifft die Materialien, aus denen die Wände eines Fusionsreaktors bestehen sollen. Sie müssen viel höheren Belastungen standhalten als die Verkleidungen in Spaltungsreaktoren. Die hohen Temperaturen sowie der ständige Beschuss mit extrem schnellen Neutronen machen das Material spröde. Letzterer verändert zudem die chemische Zusammensetzung der Wand: Die Atome darin verwandeln sich mit der Zeit in radioaktive Elemente. Nach heutigem Forschungsstand kann dem noch am ehesten eine Kombination aus Wolfram, Beryllium und Kohlenstoff widerstehen.

Damit soll die Wand zwei bis drei Jahre im Reaktor verbleiben können. Im Lauf eines jahrzehntelangen Betriebs würden so jedoch zehntausende Tonnen radioaktiven Mülls anfallen, schätzte 2002 ein TAB-Bericht. Dieser müsse allerdings nur rund 100 Jahre zwischengelagert werden, ehe er entsorgt oder wiederverwendet werden könne, sagen die Forscher – dann sei die Strahlung weitestgehend abgeklungen. Ob dem tatsächlich so ist und ob sich die Abklingzeit noch verkürzen lässt, soll die für Ende des Jahrzehnts geplante Testanlage IFMIF klären, welche die schnellen Neutronen der Fusionsreaktion bereitstellen wird.

Heikles Tritium

Ein weiteres Problem ist der vermeintlich unerschöpfliche Brennstoff Tritium, von dem ein ausgewachsener Fusionsreaktor jedes Jahr mehrere Kilogramm bräuchte. Das klingt zwar nach wenig, aber Tritium kommt auf der Erde so gut wie nicht vor – im Gegensatz zu Deuterium, das aus Meerwasser gewonnen werden kann. Daher will man es direkt in der Wand eines Reaktors aus Lithium erbrüten. Kritiker stellten zuletzt in Frage, ob diese Reaktion überhaupt oft genug stattfindet. Auch dieser Frage soll ITER nachgehen, indem im Reaktor verschiedene Brutmodule getestet werden.

Aber Tritium ist noch aus einer anderen Perspektive heikel, denn der extrem flüchtige Stoff zerfällt mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren und sendet dabei Betastrahlung aus. Diese kann zwar die menschliche Haut nicht durchdringen, außerdem befänden sich nur wenige Gramm des Strahlers während des Betriebs im Reaktorinneren. Aber Tritium ist chemisch identisch mit Wasserstoff, so dass es in Wassermoleküle eingebaut wird. Gelangen diese in den Körper, enden sie vereinzelt als Bausteine in DNA-Molekülen und könnten sie bei ihrem radioaktiven Zerfall beschädigen. Womöglich sei Tritium daher gesundheitlich bedenklicher als bisher angenommen, mahnte eine von der EU einberufene Expertenrunde im Jahr 2007.

Trägheitsfusion am Novalaser
© Lawrence Livermore National Laboratory
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernTrägheitsfusion am Novalaser
Mit Hilfe eines Lasers wird der Brennstoff aus Deuterium und Tritium durch sehr schnelle Energiezufuhr extrem verdichtet und aufgeheizt. Die nötige Einschlussdauer beträgt nur Nanosekunden, doch das genügt, um über die Massenträgheit des Plasmas selbst dieses zusammenzuhalten. In dieser kurzen Zeit entstehen winzigste "Sonnen" mit extremer Dichte und Temperatur.
Zum Problem würde dies vor allem bei einem Leck, das aber wohl nur durch ein externes Ereignis wie einen Flugzeugabsturz entstehen kann. Denn im Gegensatz zur Kernspaltung ist ein Reaktorunfall so gut wie auszuschließen: Die Plasmaflamme ist derart fragil, dass sie sofort erlischt, wenn etwas nicht nach Plan läuft. Dennoch kommt der TAB-Bericht zu dem Schluss, dass Evakuierungen der Bevölkerung auf einigen Quadratkilometern Fläche erforderlich wären, wenn das gesamte Tritium freigesetzt würde.

Widerstand von Umweltschützern

Da überrascht es wenig, dass viele Umweltschützer nicht gerade Freunde der Fusion sind. Die Grünen etwa forderten im Juni im Europaparlament einen Baustopp für ITER. Stattdessen sollen die 144 Millionen Euro, die Deutschland 2011 für die Kernfusion bereitstellt, in die Entwicklung erneuerbarer Energien gesteckt werden. Motivierend für den Widerstand der Umweltbewegung dürfte auch ein Aspekt sein, den der amerikanische Umweltaktivist Amory Lovins schon 1976 in einem Aufsatz benannte: "Die Kernfusion ist ein cleverer Weg zu etwas, was wir nicht wirklich wollen: nämlich eine weitere Technologie, die komplex, teuer, groß, zentralisiert und hochtechnisiert Elektrizität erzeugt." Allerdings bleibt die Frage, ob der wachsende Energiebedarf der Menschheit wirklich ohne eine Großtechnologie für die Grundlast gedeckt werden kann. Genau dort sehen Befürworter die Rolle der Kernfusion, die im Energiemix den Platz von Kohle und Kernkraft einnehmen soll – eines Tages.

Der Techniksoziologe Ortwin Renn von der Universität Stuttgart sieht den tatsächlichen Konflikt um die Fusion denn auch noch in weiter Ferne. "Ich nenne das den Bulldozereffekt – solange sie nicht da sind, interessieren sich die meisten Leute nicht für neue Projekte", sagt Renn, der Mitglied im "Freundeskreis der Fusion" ist. Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik hat ihn vor Kurzem beauftragt, Vertreter verschiedener Bevölkerungsgruppen zur Fusion zu befragen. Das Ergebnis lässt Physiker vielleicht hoffen: "Je jünger die Leute waren, desto offener waren sie für die Kernfusion."