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TechnikDer Kern des Lebens

Strom aus Kern­fu­sion

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Hans-Jörg Munke

Hans-Jörg Munke

freier Journalist

Vorbild Sonne: Die Kernfusion soll den Energiehunger der Menschheit stillen. Zwei gigantische Reaktoren sind in Europa im Bau – mit unterschied­li­chen Konzepten. In ihnen wird die Zukunft der Technologie erforscht.

10. September 2019

Seit Milliarden Jahren liefert die Sonne den Treibstoff für das Leben auf der Erde. Kein Wunder also, dass die Wissenschaft das Funktions­prinzip dieser ewigen Energiequelle – die Kernfusion – zu verstehen und nutzbar zu machen versucht. Ziel ist ein klima- und umweltfreund­li­ches Kraftwerk, das durch die Verschmel­zung von Atomkernen Energie gewinnt. Auch wenn es ähnlich klingt: Atomkraft­werke und Kernfusi­ons­re­ak­toren unterscheiden sich maßgeblich. Zwar ist ein Fusionskraft­werk auch eine kerntech­ni­sche Anlage, allerdings brütet sie ihren Brennstoff selbst aus. Tonnenschwerer radioaktiver Abfall, der Jahrtausende gelagert werden muss, fällt nicht an.

Außerdem wären Risiken und Folgen überschaubar – selbst das Verbrennen von Kohle wäre langfristig erheblich riskanter für unseren Planeten. Bereits ein Gramm Brennstoff setzen bei der Kernfusion 90 MWh Energie frei. Das entspricht der Verbrennungs­wärme von rund elf Tonnen Kohle. Doch die technischen Anforderungen für diesen Effekt sind immens, denn das Fusionsfeuer zündet erst bei Temperaturen über 100 Millionen Grad Celsius. Der Brennstoff – ein dünnes Wasserstoff­plasma – darf daher auch nicht in Kontakt mit den kühleren Wänden der Brennkammer kommen. Daher schwebt es, von Magnetfel­dern gehalten, nahezu berührungs­frei in einer Vakuumkammer.

Einfaches Prinzip, immenser Aufwand

In kommerzi­ellen Fusionsre­ak­toren sollen in einigen Jahrzehnten Deuterium und Tritium zu Helium verschmelzen. Die beiden Ausgangs­stoffe sind Varianten des Wasserstoffs: Deuterium besitzt ein zusätzli­ches Neutron, Tritium besitzt zwei davon. Fusionieren die beiden Atome, fliegt ein überschüs­siges Neutron davon, und es bleibt Helium zurück. Die frei werdende Energie steckt vor allem im Neutron, das in der Wand des Plasmage­fäßes aufgefangen wird und dort seine Wärme abgibt. Energie, die genutzt werden kann, um einen Generator anzutreiben.

Wegen des großen technischen Aufwands wird die Entwicklung der Fusionstechnik weltweit nur in wenigen Großforschungs­ein­rich­tungen vorangetrieben. Im südfranzö­si­schen Cadarache begann vor elf Jahren der Bau des Iter (Internatio­naler Thermonu­klearer Experimental-Reaktor). Die Baukosten der weltweiten Gemeinschafts­ein­rich­tung werden auf rund 20 Milliarden Euro geschätzt. In sieben Jahren soll das experimen­telle Kraftwerk in Betrieb gehen und zehn Jahre später seine volle Funktions­fä­hig­keit erreichen.

Dann würden in einem 5.200 Tonnen schweren, elf Meter hohen, ringförmigen Schlauch mit einem Volumen von 1.400 Kubikmetern Deuterium und Tritium zu Helium verschmelzen und Energie freisetzen. Eine weitere Anlage steht in Greifswald in Mecklenburg-Vorpommern. Hier läuft seit gut zwei Jahren der Fusionsre­aktor Wendelstein 7-X des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) im Versuchs­be­trieb. Sein Herzstück ist eine Plasmakammer, die von einem Ring aus 50 supralei­tenden, etwa 3,5 Meter hohen Magnetspulen umgeben ist.

Zwei Systeme, ein Ziel

Bei vorberei­tenden Plasmaex­pe­ri­menten haben sich zwei verschie­dene Bauweisen für Fusionsre­ak­toren durchgesetzt: Tokamak und Stellarator. Ein Tokamak, wie er im Iter gebaut wird, funktioniert ähnlich einem großen Transfor­mator, bei dem das ringförmige Plasma eine der beiden Spulen bildet. In seinem Innern muss allerdings ein starker Ringstrom fließen, der das Plasma wie ein magnetischer Schlauch zusammen­hält.

In Greifswald setzt man dagegen einen Stellarator ein. Er ist als reiner Magnetkäfig ausgeführt und erfordert ein sehr komplex geformtes Magnetfeld, was eine entsprechend komplexe Spulengeo­me­trie nötig macht. „Damit die Anlage aufgebaut werden kann, haben wir diverse Spezialwerk­zeuge sowie Sonderan­lagen entwickelt und gefertigt“, sagt Marcus Paschen, Vertriebs­leiter der FERCHAU-Tochter RST Rostock System-Technik. Die Kooperation zwischen dem Hightech-Unternehmen und dem IPP besteht schon seit über 15 Jahren.

Herausfor­de­rung für Ingenieure

Die RST-Ingenieure konzipierten unter anderem spezielle Hebezeuge, mit denen Grafitka­cheln, die im Plasmagefäß als Wärmeschutz fungieren, präzise positioniert und befestigt werden können. Das Plasmagefäß des Stellara­tors selbst ist ein 1,80 Meter hoher Raum, der im Querschnitt einer Niere ähnelt. „Zu Wartungs­zwe­cken gehen dort auch Mechaniker hinein, um die bis zu 20 Kilo schweren Kacheln zu tauschen oder neue Systeme einzubauen“, erläutert Paschen. „Die haben für ihre Arbeiten wenig Platz, dürfen nirgendwo gegenstoßen und sind deshalb auf technische Hilfen angewiesen.“

Doch der herausfor­dernde Einsatz ist notwendig, denn die Kacheln aus Grafit ermöglichen höhere Temperaturen und längere Plasmaent­la­dungen. In der letzten Experimen­tier­runde wurde damit ein Weltrekord für das sogenannte „Fusionspro­dukt" in Stellara­toren aufgestellt. Das Produkt aus Ionentem­pe­ratur, Plasmadichte und Energieein­schluss­zeit gibt an, wie nahe man den Reaktorwerten für ein brennendes Plasma bereits ist.

Strom aus Kernfusion für alle erst Mitte des Jahrhunderts

Seit Herbst 2018 läuft zudem eine weitere Ausbauphase: Die jetzigen Grafitka­cheln werden durch Elemente aus kohlenstoff­fa­ser­ver­stärktem Kohlenstoff ersetzt, die zusätzlich wasserge­kühlt sind. Sie sollen bis zu 30 Minuten lange Entladungen ermöglichen und so die Qualität des Plasma-Einschlusses in einem Stellarator auf das Niveau der Tokamak-Anlagen bringen – ein entschei­dender Schritt auf dem Weg zum Dauerbetrieb.

Bis dahin wird noch einige Zeit vergehen. Mit einer kommerzi­ellen Anwendung der Kernfusion rechnen Experten nicht vor Mitte des Jahrhunderts. Dass sich auch diese langen Vorarbeiten auszahlen, steht für RST-Manager Paschen außer Frage: „Die Kernfusion hat ein großes Potenzial, um die Energiefragen der Zukunft zu lösen.“