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Energie der Zukunft - Zukunft der Energien: Con Fusion

Die Kernfusion zählt zu den großen Hoffnungsträgern einer verhältnismäßig sauberen und nahezu unerschöpflichen Energiegewinnung. Das Verschmelzen von Wasserstoff-Isotopen ähnlich wie in der Sonne könnte in einigen Jahrzehnten einen beträchtlichen Teil des Energiehungers der Welt decken.
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Nahezu alle Energiequellen der Erde lassen sich auf die Wirkung der Sonne zurückführen: Sie erwärmt den Boden und verdampft Wasser – so entstehen Winde, und der Kreislauf des Wassers setzt sich in Gang. Über Fotosynthese versorgen sich Mikroben und Pflanzen, die dann Menschen und Tieren als Nahrung dienen. Aus verrottender Biomasse entstehen schließlich durch geologische Prozesse über Jahrmillionen die fossilen Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas. Und da wahrscheinlich alle schweren chemischen Elemente vom Eisen bis hinauf zum Uran in Sonnen ausgebrütet werden, begründet sich letztlich auch die Energie aus der Kernspaltung auf der Aktivität von Gestirnen. Da liegt es auf der Hand, sich die Sonne als Vorbild zu nehmen und auf gleiche Weise Energie zu produzieren wie sie: Wasserstoff-Atome zu Helium zu vereinigen und die dabei frei werdende Energie zu nutzen.

Der Gedanke klingt genial einfach; doch die Umsetzung erweist sich als eine technische Herausforderung sondergleichen – herrschen im Schmelztiegel unseres Zentralgestirns doch Temperaturen von über zehn Millionen Grad und Drücke von bis zu zwanzig Petapascal. Das ist gut 200 Milliarden Mal höher als der Luftdruck auf der Erde und muss erst einmal erreicht werden. Auf der Erde gibt es bislang nur einen einzigen von Menschen ersonnenen Prozess, mit dem diese physikalischen Bedingungen für eine extrem kurze Zeit gelingen: die Explosion einer Wasserstoffbombe.

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Plasmagefäß der Fusionsanlage ASDEX Upgrade | Blick in das Plasmagefäß des Testreaktors, einem so genannten Tokamak, des IPP in Garching. Spulen erzeugen hier ein schraubenartig geformtes Magnetfeld in der Plasmakammer, das das heiße Gas von den Wänden weg drückt und zum Zentrum des Querschnitts hin verdichtet, wo die Fusion stattfinden soll.
Seit mehreren Jahrzehnten versuchen nun aber einige Physiker und Konstrukteure, diese gewaltigen Kräfte zu zähmen, um daraus Energie für die friedliche Nutzung zu gewinnen. In Deutschland arbeiten beispielsweise das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) sowie das Forschungszentrum Jülich daran. Denn der Energiegewinnungsprozess verläuft äußerst effektiv: Um eine elektrische Leistung von einem Gigawatt zu erzeugen – womit zehn Millionen 100-Watt-Glühbirnen gleichzeitig zum Leuchten gebracht werden könnten –, benötigt ein Fusionsreaktor nach Schätzungen von Experten nur rund ein halbes Kilogramm Brennstoff. Kohlekraftwerke müssten dazu rund 5000 Tonnen Steinkohle verbrennen.

Radioaktiver Müll für einhundert Jahre

Und da keine schweren Atomkerne gespalten werden, sondern leichte zusammengesetzt, entsteht deutlich weniger Radioaktivität als bei Kernkraftwerken. Zwar setzt der Fusionsprozess ebenfalls enorm viele Neutronen frei, deren Bewegungsenergie in Wärme und dann über einen Wärmetauscher in Strom umgewandelt werden soll. Durch eine geeignete Wahl an Materialien, aus denen der Reaktor aufgebaut wird, lässt sich aber verhindern, dass hochradioaktive Stoffe mit langen Halbwertzeiten entstehen. Fachleute vermuten, dass sie nicht wie bei der Kernspaltung bei zum Teil einigen hunderttausend Jahren liegen, sondern bei ungefähr einhundert.

Das Problem mit der Kernfusion ist nur: Niemand kann mit Sicherheit sagen, ob und wann sich damit wirtschaftlich Strom erzeugen lässt. Die aktuellen, optimistischen Prognosen werden gern mit Häme überzogen: Denn vor etwa vierzig Jahren war man der Hoffnung, dass man in etwa vierzig Jahren – heute also – die Sache im Griff hätte. Nun erwarten die Experten, dass man wiederum in vierzig Jahren soweit sei. An der angepeilten Zeitspanne hat sich über die Jahrzehnte also nichts geändert. Offensichtlich hatten die Wissenschaftler ihr Können über- oder die zu bewältigenden technischen Schwierigkeiten unterschätzt.

Tokamak oder Stellarator

Abgesehen von einigen wenigen Wissenschaftlern, die auf eine "kalte Fusion" setzen – ein Verfahren, dass unbewiesenen ist und von anderen Forscherteams kaum bestätigt werden konnte –, konzentrieren sich die Anstrengungen der Fusionsforscher derzeit im Wesentlichen auf zwei unterschiedliche Konzepte: den Tokamak und den Stellarator. Zwar gibt es hier und da noch ernsthafte Überlegungen, einen Fusionsreaktor zu bauen, in dem quasi winzig kleine Wasserstoffbömbchen durch intensive Bestrahlung mit Lasern oder Schwerionen zur Explosion gebracht werden sollen, um daraus Energie zu gewinnen. Doch sind diese Anlagen technisch höchst anspruchsvoll und werden zumeist in einem militärischen Kontext diskutiert, weil die zur Zündung des Plasmas notwendigen Einrichtungen sich gleichzeitig militärisch nutzen lassen. Dagegen dienen Tokamak und Stellarator ausschließlich der zivilen Nutzung.

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Wendelstein 7-X | Computergrafik der verwundenen Magnetspulen und des Plasmas der Stellarator-Fusionsanlage Wendelstein 7-X, die am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald aufgebaut wird.
Im Stellarator wird das Plasma – ein Gas aus frei herumfliegenden Wasserstoff-Atomkernen – in einem luftleer gepumpten, schlauchförmigen, magnetischen Käfig in der Schwebe gehalten. Schließlich gibt es kein Material auf Erden, mit dem sich ein Behälter bauen lässt, der den zur Zündung des Sternenfeuers notwendigen ultraheißen Brennstoff einfach so aufnimmt. Zumal die Experimentatoren mit 100 Millionen Grad Celsius die Temperaturen der Sonne noch um einen Faktor zehn übertreffen wollen, weil sie sonst mit wesentlich höheren Drücken arbeiten müssten, was technisch noch viel anspruchsvoller wäre.

Brennstoff für Jahrtausende

Zum Aufbau des magnetischen Schlauchs besitzt der Fusionsreaktor ein kompliziert gebogenes Spulensystem, dass oft aus supraleitenden Windungen besteht. Im Gegensatz zur Sonne, die vorzugsweise mit normalem Wasserstoff arbeitet, wollen die Wissenschaftler die schwereren Isotope dieses leichtesten aller chemischen Elemente vereinigen: Deuterium und Tritium. Diese Stoffe enthalten im Vergleich zum normalen Wasserstoff im Atomkern zusätzlich zum Proton jeweils ein respektive zwei weitere Neutronen.

Ein Brennstoffmangel ist für die nächsten zigtausend Jahre nicht zu befürchten: Deuterium kommt in ausreichender Menge im Meerwasser vor. Und Tritium, das selbst ein leicht radioaktiver Beta-Strahler ist, lässt sich im Reaktor – wenn er denn einmal läuft – wohl relativ einfach durch Neutronenbeschuss aus dem chemischen Element Lithium erbrüten. Dieses Leichtmetall ist in zahlreichen, natürlich vorkommenden Mineralen enthalten, die es überall auf der Erde gibt.

Mit dem "Wendelstein 7-X" entsteht gegenwärtig am IPP-Institut in Greifswald der Prototyp eines Stellaratoren, um die Kraftwerkstauglichkeit zu demonstrieren. Die Konstruktion soll einen Dauerbetrieb erlauben und im Jahr 2012 den Betrieb aufnehmen.

Hoffnungsträger ITER

Etwas weiter in der Entwicklung scheint der International Thermonuclear Experimental Reactor ITER zu sein – ein Tokamak. Im Gegensatz zum Stellarator besitzen diese Fusionsreaktoren vergleichsweise einfache Magnetspulen. Um die notwendige Verdrillung der Magnetfeldlinien zu erhalten, induzieren die künftigen Betreiber mit Hilfe eines starken, oft supraleitenden Magneten einen Strom im elektrisch geladenen Plasma, der es gleichzeitig aufheizt. Im Prinzip funktioniert ein Tokamak also wie ein überdimensionaler Transformator, bei dem eine Windung aus dem Plasmastrom besteht. Den Erreger bildet die Magnetspule. Auf Grund dieses Prinzips ist aber nur ein gepulster Betrieb möglich, in dem die Fusion maximal einige Stunden abläuft, bevor ein neuer Zyklus beginnt.

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ITER | Die Computergrafik des internationalen Experimentalreaktors ITER zeigt von außen nach innen: Kryostat, Magnetspulen, Plasmagefäß, Blanket, Transformatorspule.
An diesen Reaktortyp knüpft die internationale Gemeinschaft größte Hoffnungen. Der Baubeginn ist für das Jahr 2008 im französischem Cadarache vorgesehen. Acht Jahre später soll der ITER – auf lateinisch "der Weg" – sein erstes Plasma zünden, um den Forschern dann für etwa zwanzig Jahre die Gelegenheit zu geben, den Betrieb und alle Komponenten auf Herz und Nieren zu prüfen.

Insgesamt wurde bislang etwa eine Milliarde Euro in die Forschung und Entwicklung für den ITER gesteckt. Für den Bau und Betrieb sind jeweils weitere vier bis fünf Milliarden Euro veranschlagt. Wenn sich die Hoffnungen erfüllen und der Forschungsreaktor läuft wie erhofft, dann soll dieses Konzept dazu benutzt werden, einen Reaktor mit dem Namen Demo zu bauen, der als erster überhaupt Energie ins Netz speisen soll. Doch zunächst einmal muss der ITER beweisen, dass mit ihm ein Plasma gezündet werden kann, das – so die Hoffnungen der Experimentatoren – zehnmal mehr Energie abwirft als für dessen Aufheizung benötigt wird.

Viele Kritiker fragen sich aber, ob hier nicht mit Kanonen auf Spatzen geschossen wird, weil solch monströse und technologisch komplexe Anlagen für die Stromgewinnung geplant werden. Expertenschätzungen zeigen denn auch, dass ein Fusionsreaktor mit etwa fünf bis zehn Cent pro Kilowattstunde Strom voraussichtlich zu höheren Kosten produziert als ein heutiges Kohle- oder Kernkraftwerk. Doch ist das in etwa vergleichbar mit den Preisen der Stromgewinnung aus erneuerbaren Energien. Zumindest scheint die Kernfusion somit auf langfristige Sicht eine brauchbare Option für die Menschheit zu sein.

Wenn alles gut geht, ist damit zu rechnen, dass ab dem Jahr 2050 der erste Strom aus Fusionskraftwerken ins Netz fließt. Welchen Anteil er dann für sich verbuchen kann, bleibt bisher noch unklar. Fachleute taxieren ihn zwischen zehn und dreißig Prozent – das wäre etwa so viel, wie heute die Kernkraft liefert.

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