21. Dezember 2015

Kernfusion Das Sonnenfeuer auf die Erde holen

In Greifswald ist ein wichtiger Schritt gelungen

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Bildquelle: NASA/Wikimedia Commons Kernfusion: Der Sonne ins brennende Herz geschaut

Es geht um eine Energiequelle der Zukunft. Ist Stromerzeugung mit Kernfusion möglich, was mit Kernspaltung schon lange alltäglich geworden ist? Der Antwort auf diese Frage ist das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald jüngst einen Schritt näher gekommen. Dort hat man mit dem Zünden des ersten Plasmas am 10. Dezember die Kernfusionsanlage Wendelstein 7-X offiziell in Betrieb genommen. Was hat es damit auf sich?

Was die Vorteile sind

Das Schöne an der Kernfusion ist: Der Brennstoff ist nicht nur so gut wie unerschöpflich vorhanden, sondern auch (anders als Kohle, Erdöl, Erdgas, Uran) gleichmäßig über den Erdball verteilt. Das Schöne ist ferner die Sicherheit, die in dem Verfahren selbst liegt, weil es sich bei Störung selbst abschaltet. Eine Kernschmelze oder was ihr vergleichbar wäre, ist hier physikalisch nicht möglich. Eine gefährliche, unkontrollierbare Kettenreaktion, wie sie bei der Kernspaltung (vom Kugelhaufenreaktor abgesehen) theoretisch passieren kann, ist damit ausgeschlossen. Auch gibt es keine Emissionen, und der radioaktive Abfall ist (als eine Folge der Aktivierung der Reaktorgefäßwände) deutlich geringer als bei Kernspaltungsreaktoren. Ferner sind die Halbwertszeiten in einem Fusionskraftwerk sehr viel niedriger als bei der Stromerzeugung durch Kernspaltung.

Eine irdische Kopie der Sonne, nur kleiner

Das beste Beispiel für die Kernfusion bietet die Sonne. Sie ist ein „gewaltiger Kernfusionsreaktor“, in der riesige Mengen Wasserstoff zu Helium verbrannt werden. Was in der Sonne stattfindet, soll auf der Erde gleichsam kopiert werden, um mit Hilfe dieser irdischen Kopie den künftigen Energiebedarf sicherzustellen. Es geht also, wie gern gesagt wird, darum, „das Sonnenfeuer auf die Erde zu holen“. Brennstoffe dafür sind die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium.

Warum die Kernverschmelzung so schwer ist

Der Fusionsreaktor Sonne allerdings verwendet normalen Wasserstoff. Im Aggregatzustand als heißes Plasma wird er dort durch den ungeheuren Druck wegen der Schwerkraft der Sonne zusammengehalten. In einem Fusionskraftwerk auf der Erde dagegen muss die Verschmelzung kontrolliert in einem geschlossenen Behälter ablaufen und das heiße Brennstoffgemisch in einen Magnetfeldkäfig eingeschlossen werden, um es von den Wänden des Vakuumgefäßes fernzuhalten. Doch um die beiden Brennstoffe in diesem „Ofen“ zur Fusion, zur Verschmelzung ihrer Kerne, zu bringen, muss die aus ihnen bestehende Plasmamasse mehr als höllisch-heiß erhitzt werden, nämlich auf rund 100 Millionen Grad der Kelvin-Skala.

Mikrowellen als „Zündholz“ für die Fusion

Um sie auf diese Hitze zu entzünden, verwendet man als „Streichholz“ zum Beispiel elektromagnetische Wellen – das Prinzip entspricht dem des Mikrowellenherdes – und strahlt sie mit einem starken Sender auf das Wasserstoffgas-Brennstoffgemisch ein, wo sie dieses rasch ionisieren und auf hohe Temperaturen aufheizen. Um den Kernfusionsprozess zu starten, bedarf es eines solchen „Zündungsimpulses“ von nur wenigen Sekunden Dauer mit einer Heizleistung von typischerweise zehn Megawatt. Die Energie dafür liefert elektrischer Strom. Diese einmaligen zehn Megawatt stoßen dann einen Prozess an, der kontinuierlich 3.000 Megawatt (drei Gigawatt) als thermische Leistung liefert und so lange läuft, bis man den Reaktor – zum Beispiel für Wartungsarbeiten – abschaltet. Auch Radiowellen könnte man als Zündholz benutzen und ins Plasma hineinstrahlen. Oder beschleunigte Wasserstoffteilchen ins Plasma hineinschießen.

Deuterium und Tritium sollen zu Helium verschmelzen

Das Fusionskraftwerk soll Energie dadurch erzeugen, dass Deuterium- und Tritium-Kerne, zwei schwere Isotope des Wasserstoffs, zu Helium verschmelzen, so dass aus der Reaktionshitze die gewünschte Energie gewonnen wird. Von allen möglichen Verschmelzungsreaktionen, die für ein Fusionskraftwerk in Frage kommen, ergibt die Reaktion zwischen den beiden Wasserstoff-Isotopen Deuterium und Tritium die größte Energieausbeute bei der vergleichsweise niedrigsten Temperatur. Deuterium lässt sich aus Meerwasser gewinnen. Tritium wird aus dem Metall Lithium gewonnen, wobei geplant ist, es im Fusionskraftwerk selbst zu erzeugen.

Jubel der Wissenschaftler, als jetzt die Zündung gelang

Was Sie zur Erläuterung bis hierher gelesen haben, habe ich bereits 2011 dargestellt. Schon einige Jahre zuvor hatte ich Greifswald besucht und mir dort von einem leitenden Wissenschaftler (Prof. Dr. Hans-Jürgen Hartfuß) alles erklären lassen. Er hat mir damals auch bestätigt, dass ich das dort Erfahrene zutreffend wiedergegeben habe. Hartfuß ist inzwischen emeritiert, war aber am 10. August dabei, als die Zündung des ersten Plasmas gelang. In einem Zeitungsbericht war zu lesen: „Die Forscher haben die Sonne imitiert – jedenfalls für 50 Millisekunden.“ Wissenschaftler aus ganz Europa, aus Asien und den Vereinigten Staaten waren zu diesem Ereignis nach Greifswald gekommen, hatten gemeinsam gejubelt und die Sektgläser klingen lassen, als gelungen war, was gelingen sollte. Denn was in Greifswald gebaut und erforscht wird, ist Teil eines internationalen Vorhabens.

Das riesige ITER-Projekt

Es handelt sich um das riesige Projekt International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Gemeinsam betrieben und finanziert wird es von sieben Partnern gemeinsam: China, der Europäischen Union, Indien, Japan, Russland, Südkorea und den Vereinigten Staaten, und durch deren Forschungskapazitäten ins Werk gesetzt. Kanada ist seit 2004 nicht mehr dabei. Europa soll nach den Vereinbarungen 45 Prozent der Investitionskosten tragen, die übrigen Partner je neun Prozent. Nach Auskunft seinerzeit aus Greifswald stellen die Partner diese Beiträge nicht in Form von Barmitteln zur Verfügung, sondern als Sachleistung, als fertige Bauteile. „ITER“ steht auch für das lateinische Wort für Weg („iter“) – als der oder ein Weg in eine sichere Versorgung mit elektrischem Strom.

Den Anstoß zu ITER gaben Gorbatschow und Reagan

Initiatoren für ITER sind 1988 nach dem Ende des Kalten Krieges gemeinsam die Präsidenten Gorbatschow (Sowjetunion) und Reagan (Vereinigte Staaten) gewesen. Die erste „Design-Phase“ lief von 1992 bis 1998. An ihr waren die Vereinigten Staaten, Russland, Japan und die Europäische Union beteiligt. 1998 haben sich die Vereinigten Staaten zunächst von der weiteren Zusammenarbeit zurückgezogen. Dann kam es zu einer Um- und Neukonstruktion, verbunden mit einer deutlichen Kostensenkung. Nach einer weiteren Einigung 2006 übernahm die EU 45 Prozent der Kosten. Dafür durfte der Reaktor in Europa errichtet werden, gleich neben dem französischen Kernforschungszentrum Cadarache. 2008 fand der erste Spatenstich statt.

Aber ehe Strom aus Kernfusion fließen kann, wird es noch lange dauern

Am Hauptsitz des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik im bayrischen Garching wird die Fusionsanlage Tokamak Asdex Upgrade betrieben. Sie ist 1991 in Betrieb gegangen. Im Greifswalder Institut handelt es sich mit Wendelstein 7-X um den Bautyp Stellarator. International ist dies nach Institutsangaben – neben einer Anlage in Japan – die größte und modernste Konstruktion dieses Typs. Ihr Leiter ist Prof. Dr. Thomas Klinger. Doch ehe Strom aus Kernfusion wirklich fließen kann, wird es noch dauern. Sibylle Günter, wissenschaftliche Direktorin des Max-Planck-Instituts, schätzt, bis dahin würden noch rund 35 Jahre vergehen. Das entspricht der bisherigen Planung – falls alle bis dahin noch nötigen Experimente und Vorstufen ohne Rückschläge geglückt sind. Konkrete Planungen für die kommerzielle Nutzung von Kernfusionsstrom gibt es noch gar nicht.

Dieser Artikel erschien zuerst auf dem Blog des Autors.


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