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Kernfusion: »Wir haben noch keine Patentlösung für das Energieproblem«

Wie geht es mit der Kernfusion voran? Hartmut Zohm vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching über die Fortschritte bei ITER, Chinas Pläne in der Kernfusion und Varianten auf dem Weg zum Heiligen Gral der alternativen Energiegewinnung.
Kernfusion

Der Fusionsreaktor ITER ist schon lange im Gespräch, doch der geplante Start hat sich immer wieder verschoben. Derweil holen andere Länder auf: Auch in den USA und China gibt es ehrgeizige Projekte. Hartmut Zohm vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching im Interview über Konkurrenz und Kooperation, realistische Zeitspannen und den Stand bei ITER.

Der geplante Kernfusionsreaktors ITER in Frankreich, an dem Sie und Ihre Mitarbeiter beteiligt sind, hat nicht unbedingt den besten Ruf. Zu teuer sei das Projekt, und es gehe kaum vorwärts, hieß es lange. Im Jahr 2015 hat der Kernphysiker Bernard Bigot die Leitung von ITER übernommen und will das Ruder herumreißen. Gelingt ihm das?

Ich bin ja tatsächlich immer mal wieder selbst vor Ort in Frankreich auf der Baustelle. Die Fortschritte, die da gemacht werden, sind sehr beeindruckend. Man hat nun wirklich das Gefühl, es geht voran – kein Vergleich zu früher. Wer möchte, kann das auf der Seite www.iter.org live über eine Webcam verfolgen. Da schaut man gewissermaßen von oben in das Loch, in dem der Fusionsreaktor entsteht. Dort herrscht nun nicht mehr gähnende Leere, sondern man sieht, wie die Außenhülle zusammengebastelt wird. Das ist wirklich ein riesiges Teil. Man erkennt die Ausmaße erst, wenn mal Leute im Bild vorbeilaufen.

Was hat Herr Bigot geändert?

Eine große Herausforderung bei ITER besteht darin, dass die notwendigen Bauteile alle von unterschiedlichen Partnern eingebracht werden, die aus verschiedenen Ländern kommen. Deshalb ist es extrem schwierig, wenn man etwas anpassen oder verändern will. Herr Bigot holt die Beteiligten nun regelmäßig an einen Tisch. Das ist sehr wichtig. Früher hat man sich einmal im Jahr gesehen beim offiziellen Meeting. Mittlerweile haben viele Verantwortliche vor Ort ein Büro.

Bigot hat ja gleich zu Beginn seiner Amtszeit eine Kostensteigerung angekündigt. Ursprünglich sollte ITER fünf Milliarden Euro kosten, jetzt ist man bei 15 Milliarden. Bleibt es dabei?

Es ist wahrscheinlich, dass die veranschlagten 15 Milliarden nochmals leicht zunehmen werden. Das wird aber nur im Rahmen von etwa zehn Prozent liegen, was bei solchen Projekten relativ normal ist. Die Amerikaner haben übrigens – überraschenderweise – gerade sogar mehr Geld für ITER frei gemacht.

Hartmut Zohm
Hartmut Zohm | Professor Hartmut Zohm arbeitet am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik und leitet dort die Abteilung »Tokamak-Szenario-Entwicklung«. Er und seine Mitarbeiter untersuchen, wie man mittels eines Magnetfelds ein Plasma so stark zusammenpressen kann, dass es zur Kernfusion kommt. Zohm und sein Team sind auch auch am-Fusionsreaktors ITER in Südfrankreich beteiligt, der im Jahr 2025 in Betrieb gehen soll.

Welche technischen Herausforderungen gilt es noch zu lösen?

Erfreulicherweise verlagern sich die technischen Herausforderungen von der Konstruktion der einzelnen Bauteile hin zur Logistik des Zusammenfügens. Praktisch alle Aufträge sind vergeben, und die Komponenten kommen so langsam auf der Baustelle an. Derzeit dreht sich also viel darum, wie man etwas montiert, in welcher Reihenfolge man Teile zusammenbaut, was man dabei beachten muss und so weiter.

Angeblich ist das Blanket des Reaktors eine große Herausforderung. Dabei handelt es sich um Module, die innen die Gefäßwand auskleiden. Was ist hier die Schwierigkeit?

Das Blanket ist sozusagen die Wand, die das Plasma umgibt. Im Blanket ist Lithium enthalten – und mittels Neutronen soll daraus das für die Fusionsreaktionen benötigte Tritium erzeugt werden. Diese Technologie wurde bislang noch nicht erprobt. Mit dem ITER-Testblanket-Modul möchte man den Prozess studieren. Innerhalb von ITER sind das nur ganz kleine Sektoren – aber damit lässt sich alles überprüfen. Man hat sich bei diesen Test-Blanket-Modulen allerdings auf ein Konzept festgelegt, das womöglich für künftige Schritte gar nicht das präferierte Konzept ist. Spezialisten haben sich das jedoch bereits genauer angesehen und einen Vorschlag erarbeitet, wie man diese Blanketmodule anpassen könnte.

Aber hat man denn wirklich bereits ein Material, das den enormen Belastungen standhält?

Es gibt Stähle aus der Kerntechnik, die die Neutronenbelastung ertragen; zusätzlich wird durch Fusionsneutronen allerdings auch noch Helium im Material erzeugt. Letztlich ist das aber eine Frage der Wirtschaftlichkeit – die Standzeiten heutiger Materialien sind ausreichend für ITER und auch einen Demo-Reaktor, doch natürlich macht jede Verbesserung die Fusion attraktiver.

Was genau ist denn der Beitrag Ihres Instituts zu ITER?

Zum einen betreiben wir hier ein Plasmaexperiment, das so genannte Asdex Upgrade (»Axialsymmetrische Divertor-Experiment«, Anm. d. Red.). Die Anlage sieht im Prinzip aus wie ITER, der Durchmesser des Plasmatorus ist aber um den Faktor vier kleiner. Mit Asdex Upgrade können wir ähnliche Experimente durchführen und damit verschiedene Plasmaparameter untersuchen. Insgesamt sind daran rund 250 Leute beteiligt. Ich persönlich untersuche in diesem Zusammenhang die Stabilität des Plasmas – also Fragen wie: Was passiert, wenn man den Druck erhöht? Es soll ja alles beieinanderbleiben und nicht auseinanderfliegen. Dann gibt es zum anderen hier am Institut eine Abteilung, die für ITER Hardwarekomponenten konstruiert und testet. Dabei geht es im Wesentlichen um die Heizsysteme sowie spezielle Messsysteme, so genannte Plasmadiagnostiken.

Beim Vertragsabschluss zum Bau von ITER im Jahr 2007 plante man noch, den Reaktor im Jahr 2016 anzuschalten. Wie sieht der aktuelle Zeitplan aus?

Die Inbetriebnahme soll nun im Jahr 2025 stattfinden. Wenn Sie mich fragen, verschiebt sich das womöglich noch mal um ein Jahr nach hinten. Aber um den Dreh wird es schon klappen. ITER wird dann noch kein Fusionsplasma enthalten, mit dem sich Energie gewinnen lässt. Das geht nur mit einem Gemisch der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium. Stattdessen startet man gewissermaßen mit einer abgespeckten Version, in der die Plasmaheizung noch nicht ihre volle Leistung bringt und zunächst nur mit Wasserstoff und Helium experimentiert wird, zwischen denen keine Fusionsreaktionen stattfinden. Gleichwohl lässt sich in diesem Stadium zeigen, dass die Maschine funktioniert. Und Mitte der 2030er Jahre kommen dann die Experimente mit Tritium, mit denen man die Selbstheizung des Plasmas nachweisen will. Damit hätte man dann praktisch bewiesen, dass sich Energie durch Fusion in kontrollierter Weise und im Überschuss produzieren lässt. Das wäre ein ganz wesentlicher Meilenstein.

Fusionsprodukt
Fusionsprodukt | Für die Zündung einer Kernfusion muss das Produkt aus Teilchenenergie (Temperatur), Dichte und Einschlusszeit einen kritischen Wert überschreiten. Als erster Fusionsreaktor soll ITER in den Bereich eines sich selbst erhaltenden Plasmas gelangen.

ITER ist ja nur ein Versuchsreaktor. Wann gäbe es denn ein erstes Kraftwerk, das wirklich Energie abwirft?

Bisherigen Plänen zufolge würde das dann mit dem Projekt Demo (DEMOnstration Power Plant, Anm. d. Red.) passieren, das nach ITER kommen soll. Demo würde alle Komponenten zur Stromerzeugung enthalten. Damit kann man aber frühestens ab 2050 rechnen.

Sie waren unlängst in Peking auf einem Treffen des ASIPP, des Instituts der chinesischen Wissenschaften, das den Test-Fusionsreaktor EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) betreibt. Wie war Ihr Eindruck? Wird China das Rennen um den ersten funktionierenden Fusionsreaktor machen?

Man kann auf jeden Fall sagen, dass China die Fusion als Option zur Energieproduktion sehr ernst nimmt. Das wundert mich nicht, da in dem Land das Energieproblem groß ist und dessen Auswirkungen viel stärker zu spüren sind als bei uns. Die Chinesen stehen also stärker unter Druck und investieren deshalb enorme Ressourcen in diese Technologie.

Wie auch in andere alternative Energietechnologien, richtig?

Seit ein paar Jahren erhält die Fusionstechnik dort einen riesigen Aufschwung. Die Chinesen haben in Aussicht, in der nächsten Dekade ein Experiment zu bauen, das komplementär zum ITER ist, den China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR). Bei dem Treffen ging es im Wesentlichen um dieses neue Instrument. Daraus soll dann ein kommerzieller Fusionsreaktor hervorgehen, der tatsächlich am Stromnetz hängt und verlässlich Energie liefert.

Wie sieht dort der Zeitplan aus?

Die Verantwortlichen möchten bis 2020 entscheiden, ob sie den CFETR tatsächlich bauen, und wären dann schon im Jahr 2030 so weit, diesen in Betrieb zu nehmen.

Und wo liegt der Unterschied des CFETR zum ITER?

ITER ist ein Experiment, mit dem die Beteiligten zeigen möchten, dass sich der Fusionsprozess durch die selbst erzeugte Energie am Leben halten kann. Man kann folglich nach der anfänglichen Zündung die Plasmaheizung wieder herunterfahren. Im Gegensatz dazu ist das CFETR-Experiment so ausgelegt, dass es eine stärkere Zusatzheizung braucht – die Physik, also die Selbsterhaltung der Fusionsreaktionen, steht nicht im Vordergrund. Dafür versuchen die Chinesen mit dem CFETR Technologieschritte zu machen, die ITER nicht anstrebt. ITER wird zum Beispiel das für die Fusionsreaktion benötigte Tritium kaufen und nicht selbst erzeugen. CFETR hingegen soll den Kreislauf schließen und aus Lithium Tritium erzeugen, so dass der Prozess in sich selbst abgeschlossen ist.

Das heißt, ITER würde von den Erkenntnissen, die man am CFETR macht, auch profitieren?

Ja, bestimmt. Es wird zusammengearbeitet, und alle Beteiligten profitieren wechselseitig voneinander. In gewisser Weise ist der CFETR schon der Schritt, den wir mit DEMO machen wollen. CFETR beinhaltet Funktionen von DEMO, so dass man mit dem Wissen von ITER und dem CFETR kein DEMO mehr bräuchte, sondern gleich ein funktionierendes Fusionskraftwerk bauen könnte.

Man könnte also – sofern sich die Kernfusion wirklich auf der Erde bändigen lässt und alles klappt – vielleicht schon früher mit funktionierenden Fusionskraftwerken rechnen?

Zumindest könnte es sein, dass man in China um das Jahr 2040 mit dem Bau eines Fusionskraftwerks – vielleicht auch gleich mehrerer – beginnt. Bis diese tatsächlich Strom liefern, dauert das dann vielleicht bis ins Jahr 2050.

Fusionsreaktor ITER
Fusionsreaktor ITER | Ein wichtiger Schritt hin zu einem Fusionskraftwerk ist der Kernfusionsreaktor ITER in Frankreich. Der auf dem Tokamak-Prinzip beruhende Forschungsreaktor soll erstmals 2027 ein Wasserstoffplasma erzeugen.

Das MIT will gemeinsam mit einer privaten Firma in rund 15 Jahren einen funktionierenden sehr kompakten Reaktor bauen, den so genannten SPARC. Machen dann doch eher die Amerikaner das Rennen?

Es ist durchaus ein tolles Projekt. Aber dass sie – wie es in Pressemitteilungen schon stand – in 15 Jahren ans Netz gehen werden, ist aus meiner Sicht unrealistisch. Und sollte das Prinzip tatsächlich funktionieren, heißt das nicht, dass ITER einpacken kann, sondern – und das sagen die Beteiligten selbst – dass das Projekt synergetisch zu ITER zu verstehen ist. Wir kooperieren mit diesem Projekt, und ich persönlich finde es tatsächlich sehr spannend.

Was genau machen die Amerikaner?

Sie versuchen mittels neuartiger Hochtemperatursupraleiter Spulen herzustellen, mit denen sich ein deutlich höheres Magnetfeld erzeugen lässt, als wir es mit unseren Experimenten können. Wenn das tatsächlich funktioniert, kann man die Anlagen deutlich kompakter bauen, was sie wahrscheinlich auch billiger macht.

»Die amerikanischen Kollegen übertreiben meiner Meinung nach ein wenig«

Im Vergleich zu der Technik, die bei ITER getestet wird: Wie viel kleiner könnte so ein Reaktor denn sein?

Da übertreiben die amerikanischen Kollegen meiner Meinung nach ein wenig. Sie behaupten, der Reaktor würde dann nur noch einen Radius von drei Metern haben, ITER hat sechs. Und das Fusionskraftwerk DEMO würde auf insgesamt achteinhalb Meter Radius kommen. Wenn ich annehme, dass ich die hohen Magnetfelder erreichen kann, komme ich auf rund fünf Meter – drei halte ich für unrealistisch.

Und was ist an den Supraleitern des MIT anders als bei Ihnen am ITER?

Bei Supraleitern gibt es eine kritische Magnetfeld- und Stromstärke, ab der die Leitfähigkeit zum normal leitenden Zustand zurückgeht. Mit den neuen Supraleitern ist dieser Wert relativ groß, so dass man mit stärkeren Magnetfelder arbeiten kann. Im Kleinen hat man bereits gezeigt, dass man diese Supraleiter herstellen kann. Nun kommt aber der spannendere Teil: Auf die Magnetspulen wirken enorme Kräfte. Die jetzigen Spulenkonstruktionen können das gerade noch so auffangen. Wenn man jetzt allerdings das Feld stärker macht, dann werden auch die wirkenden Kräfte größer. Die Frage ist: Wie macht man eine Struktur außen herum mit bezahlbarem Material, die mit den höheren Kräften umgehen kann und die dafür sorgt, dass die Spule sich nicht auflöst? Daran forschen die amerikanischen Kollegen.

In Amerika gibt es mit der Firma Lockheed Martin einen weiteren bekannten Player im Bereich der Fusionsenergie. Sie plant ebenfalls, einen kompakten Fusionsreaktor zu bauen, den Compact Fusion Reaktor (CFR). Was halten Sie davon?

Wir schauen uns das natürlich an. Die haben 2015 einen großen Wirbel gemacht. Wenn man die Pressemitteilung genau gelesen hat, stand da aber nur, dass sie jemanden suchen, der das Fusionsprojekt bezahlt. Laut der Patentschrift und dem wenigen, was man im Internet dazu findet, wollen sie zwei Konzepte kombinieren. Von beidem wissen wir, dass sie nicht wirklich gut funktionieren. Wie sie die bekannten Probleme der schlechten Wärmeisolation sowie der hohen lokalen Belastung von Wandkomponenten lösen möchten, darauf gehen sie an keiner Stelle ein. Insgesamt halte ich das Ganze für nicht besonders seriös. Da gibt es bessere Projekte mit richtig guten Wissenschaftlern. Die geben aber dann auch zu, dass sie ein sehr hohes Risiko eingehen, dass es nicht funktionieren könnte – aber man es trotzdem probieren will.

»Am Netz sehe ich vor dem Jahr 2050 niemanden, und dann auch erst einmal nur die Chinesen«

Also »High-risk-high-gain«-Projekte?

Ganz genau. Und mit den Beteiligten diskutieren wir natürlich, solange sie die Fakten auf den Tisch legen. Bei Lockheed Martin ist das jedoch nicht der Fall. Deshalb kann ich mir über ihr Projekt auch kein abschließendes Urteil erlauben.

Glauben Sie, dass wir irgendwann Fusionsstrom in Deutschland haben werden, und wenn ja, wie lange dauert es Ihrer persönlichen Ansicht nach noch?

Also, ich halte es für ziemlich realistisch, dass wir mit ITER eine positive Energiebilanz hinbekommen. Das ist auch der Teil, den wir gewissermaßen versprochen haben – zu zeigen, dass die Kernfusion grundsätzlich eine Energiequelle sein kann. Ob man in 30 oder 40 Jahren die gesamte damit einhergehende Technologie so entwickelt hat, dass man für einen moderaten Preis ein funktionierendes System herstellen kann, ist sehr schwierig abzuschätzen. Man sieht momentan kein grundsätzliches Hindernis; dennoch ist es noch ein weiter Weg. Am Netz sehe ich vor dem Jahr 2050 jedenfalls niemanden, und dann auch erst einmal nur die Chinesen. Das liegt einfach daran, dass der Leidensdruck in Europa momentan nicht so groß ist, dass man dringend ein Fusionskraftwerk entwickeln müsste.

Angesichts der zahlreichen erneuerbaren Energiequellen: Benötigen wir überhaupt Fusionsreaktoren?

Wir sind zwar bereits dabei, das Energiesystem umzubauen, und haben dafür etliche Ideen, wie das klappen könnte. Ich bin jedoch der Meinung, dass wir noch keine Patentlösung für das Energieproblem der Zukunft haben. Mich stört, dass manche behaupten, sie hätten die Antwort, und deshalb argumentieren, die Fusionsforschung oder auch andere Technologien müsste man nicht finanziell fördern. Wir brauchen verschiedene Konzepte, und es wird irgendwann ein gesellschaftlicher Prozess sein, für welche Technologien man sich letztlich entscheidet. Heute schon zu sagen, wir sind mit dem Thema bereits durch, ist fahrlässig. Wenn wir es in Deutschland bis 2030 schaffen, das Energiesystem auf erneuerbare Quellen umzustellen, wäre das natürlich schön. Aber die Musik spielt nicht nur bei uns. Wir können nicht nur auf Deutschland oder Europa schauen, sondern müssen das gesamte Weltgeschehen im Blick haben.

40/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 40/2018

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