Die Sonne auf Erden

Die Sonne auf Erden

Riesige Energiemengen, Brennstoff im Überfluss, vergleichsweise umweltschonend und sicher: Die Kernfusion hat das Zeug, den wachsenden Energiehunger der Welt nachhaltig zu stillen. Erste Erfolge sind da. Doch das Sonnenfeuer zu bändigen, bleibt eine gewaltige technische Herausforderung.

Greifswald, die alte Universitäts- und Hansestadt an der Ostseeküste Mecklenburg-Vorpommerns, hat viel zu bieten: den größten Museumshafen Deutschlands, in dem 45 historische Segler ihre Masten in den Himmel recken, das Geburtshaus von Caspar David Friedrich, wöchentliche Segelregatten. Die vielleicht größte Attraktion der Stadt liegt jedoch abseits am östlichen Stadtrand. Umgeben von Feldern, Schrebergärten und einem Einkaufszentrum, verpackt in einem äußerlich unscheinbaren Hallenkomplex, steht Wendelstein 7-X, der modernste Kernfusionsreaktor der Welt. Tief im Inneren der Anlage entzünden die Forscher des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik immer wieder das Sonnenfeuer. Seit dem Betriebsstart im Dezember 2015 hat Wendelstein 7-X rund 2.200 Mal winzige Gasmengen in ein ultradünnes, extrem heißes Plasma verwandelt – bis zu sechs Sekunden lang und kurzzeitig sogar 100 Millionen Grad Celsius heiß. Das Plasma ist sichtbarer Beweis für die Kernfusion, jene Energiequelle, die unsere Sonne zum Leuchten bringt und eines Tages die Energieversorgung der Menschheit sichern soll.

Die Sonne kann‘s schon lange

Die Kernfusion ist eigentlich ein alter Hut. Unsere Sonne betreibt sie schon seit etwa 4,6 Milliarden Jahren. In ihrem Zentrum lassen Temperaturen von 15 Millionen Grad Celsius und ein Druck von 200 Milliarden bar Wasserstoffatome zu Helium verschmelzen. Bei dieser Fusion geht Masse verloren und wird als Energie frei. Jede Sekunde wandelt die Sonne so rund fünf Millionen Tonnen Materie in Energie um, die sie als Wärme und Licht in den Weltraum abgibt. Seit den 1940er Jahren versuchen Wissenschaftler, die Kernfusion unter irdischen Bedingungen zu nutzen. Zu verlockend sind die Aussichten. Würde ein zukünftiges Kraftwerk die Wasserstoffsorten Deuterium und Tritium zu Helium verschmelzen, wäre der Energieertrag gewaltig: Ein Gramm Brennstoff könnte rund 90.000 Kilowattstunden Energie freisetzen, was der Verbrennungswärme von elf Tonnen Kohle entspricht und ausreicht, um 30 Haushalte ein Jahr mit Strom zu versorgen. Brennstoffmangel ist kein Thema. Die für den Fusionsprozess notwendigen Wasserstoffsorten sind auf der Erde nahezu unerschöpflich vorhanden. Deuterium findet sich im Meerwasser, Tritium lässt sich aus dem Leichtmetall Lithium gewinnen. Die Kernfusion gilt zudem als „saubere Kernenergie“, weil keine Emissionen und kaum Radioaktivität entstehen. Als Produkte der Kernfusion schwirren Neutronen durch den Reaktor. Deren Bewegungsenergie wird in Wärme umgewandelt und so zur eigentlichen Stromerzeugung genutzt. Dabei aktivieren die Neutronen aber auch die Wände des Plasmagefäßes. „Die radioaktiven Bauteile lassen sich je nach Aktivierungsgrad nach einem Rückbau wiederaufbereiten oder müssten für wenige 100 Jahre sicher gelagert werden“, sagt Dr. Christoph Pohl, Kerntechnikexperte bei TÜV Rheinland. Zum Vergleich: Radioaktive Abfälle aus der Kernspaltung erfordern je nach Material und ohne Aufbereitung Endlagerungszeiten von mehreren hunderttausend Jahren. Katastrophen wie in Tschernobyl oder Fukushima sind ausgeschlossen. „Eine unkontrollierte Kettenreaktion wie bei der Kernspaltung gibt es bei der Kernfusion nicht“, so Dr. Pohl, der am Sicherheitsgutachten zur Betriebsgenehmigung für Wendelstein 7-X beteiligt war.

Einheizen mit Mikrowellen

So einfach wie das Grundprinzip der Kernfusion klingen mag, so komplex ist die technische Umsetzung. Die Herausforderungen sind enorm. Weil der Druck auf der Erde nicht so hoch ist wie im Kern der Sonne, braucht es statt 15 Millionen Grad Celsius rund 100 Millionen Grad Celsius, um die Kernfusion in Gang zu bekommen. Dazu wird das Gas unter enormem Energieaufwand mit Mikrowellen aufgeheizt. Aktuelle Fusionsreaktoren verschlingen daher viel mehr Energie, als sie freisetzen. Dass jüngst US-Forschern im Labor erstmals eine positive Energiebilanz gelang, wurde als Durchbruch gefeiert – auch wenn der Energieüberschuss nur der Leistung von zwei AA-Mignon-Batterien entspricht. Ein weiteres Problem ist die Bändigung des Plasmas. Kein Material der Welt hält 100 Millionen Grad Celsius unmittelbar stand. Zudem kühlt sich das Plasma bei Materialkontakt ab, was die Kernfusion sofort beendet. Die aufwendige Lösung: Im Reaktorinneren erzeugen die Wissenschaftler Magnetfelder, die das Plasma ringförmig in der Schwebe halten und so kontaktisolierend von den Gefäßwänden fernhalten. Wie dieses Magnetfeld zu gestalten ist, daran scheiden sich die Geister.

Durchbruch mit ITER

International wird stark an Tokamak-Reaktoren geforscht. Sie bauen den Magnetfeldkäfig durch äußere Magnetspulen auf, die das Plasma umschließen. Um das Plasma zu stabilisieren, erzeugt ein Stromfluss in dessen Inneren ein weiteres Magnetfeld. Dieser Plasmastromfluss muss jedoch immer ansteigen, weshalb die Tokamak-Reaktoren den Fusionsprozess im Plasma nicht kontinuierlich unterhalten können. Im südfranzösischen Cadarache entsteht seit 2007 mit ITER (lateinisch: der Weg) der derzeit weltweit größte Tokamak-Experimentalreaktor. ITER soll beweisen, dass es technisch möglich ist, durch Kernfusion Nettoenergie zu erzeugen. Mit 830 Kubikmetern Plasmavolumen soll er eine Leistung von 500 Megawatt bereitstellen – zehnmal mehr, als für den Betrieb des Fusionsreaktors erforderlich ist. 2025 soll das erste Plasma gezündet werden. ITER ist ein gemeinsames Projekt der größten Industrienationen: Beteiligt sind die EU, Russland, Japan, Indien, China, Südkorea und die USA. „Bis dato hat ITER 20 Milliarden Euro verschlungen. Das ist viel, wenn das Projekt scheitert, aber wenig, wenn es gelingt“, sagt Dr. Christoph Pohl, der mit TÜV Rheinland an Materialuntersuchungen für den ITER mitgearbeitet hat.

Magnetfeld in Bagelform

Wendelstein 7-X ist vor allem von Deutschland und der EU finanziert. Als Reaktor vom Typ Stellarator kann die Greifswalder Anlage im Dauerbetrieb Kernfusion betreiben. Einen ansteigenden elektrischen Strom, der durch das Plasmainnere fließt, braucht es nicht, weil allein die äußeren Spulen das stabilisierende Feld erzeugen. Dazu sind diese wesentlich komplexer geformt als bei einem Tokamak: Die von Hochleistungscomputern berechnete Form der Reaktorzelle von Wendelstein 7-X erinnert stark an einen in sich verdrehten Bagel. Wendelstein 7-X ist der weltweit größte Stellarator-Reaktor – mit 30 Kubikmetern Plasmavolumen jedoch viel kleiner als ITER. Bis zu 30 Minuten lange Plasmaentladungen sollen die Kraftwerkstauglichkeit des Stellarator-Typs beweisen. Nettoenergieerzeugung ist kein Ziel, das bleibt ITER vorbehalten. Welcher Reaktortyp sich eines Tages durchsetzen wird, ist offen. Auf ITER und Wendelstein 7-X soll jedenfalls der DEMO-Reaktor folgen, der alle Eigenschaften eines künftigen Kraftwerks besitzt. Ein darauf basierender Prototyp dient schließlich als Blaupause für ein kommerziell nutzbares Fusionskraftwerk. Mit etwa 1,5 Gigawatt hätte dieser etwa die elektrische Leistung eines großen Kernkraftwerks. Sinkende Kosten und politischen Willen vorausgesetzt, könnte die Kernfusion die Energiegewinnung aus Kernspaltung, Gas und Kohle in 40 bis 80 Jahren ersetzen und die erneuerbaren Energien ergänzen. Laut Experten könnte die Kernfusion im Jahr 2100 etwa 20 bis 30 Prozent des europäischen Strombedarfs decken. Das wäre dann eine wirkliche Sensation, deren Ursprung unter anderem am Stadtrand von Greifswald zu finden ist.

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