Erste Versuchsanlagen entfesseln die Kraft der Sonne

Die Forscher am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) östlich von San Francisco waren selbst überrascht: Als sie am 8. August dieses Jahres die Kernfusion in ihrem Forschungskraftwerk starteten, erzeugten sie damit in nur 100 Picosekunden (10⁻¹⁰ s) eine Energiemenge von 1,3 Megajoule. Das entspricht in dieser äußerst kurzen Zeitspanne einer unglaublichen Kraftwerksleistung von 13 Millionen Gigawatt.

Das beweist, dass die Wissenschaftler für einen kurzen Moment Kernverschmelzungen in einer Kettenreaktion auslösen konnten. Das Sonnenfeuer brannte und verzehrte einen Großteil des bereitgestellten schweren Wasserstoffs in Form der Isotope Deuterium und Tritium. Der Energie-Output lag 25-mal so hoch wie beim bisher offiziellen Rekordlauf 2018 und immerhin noch achtmal so hoch wie bei einem Versuch in diesem Frühjahr.

Fusion erst ab 100 Millionen Grad

Allerdings ist damit noch längst kein funktionierendes Kernfusionskraftwerk entstanden. Denn zunächst ist eine ungeheure Energie notwendig, um eine Kapsel mit tiefgekühltem Wasserstoff extrem zu komprimieren und auf etwa 100 Millionen Grad Celsius aufzuheizen. Erst unter diesen extremen Bedingungen vereinen sich je zwei Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern. Bei der Fusion von Deuterium und Tritium entstehen zudem energiereiche freie Neutronen, die die Kettenreaktion im Fusionsgemisch für eine Weile weitertreiben.

Am LLNL ist für dieses Konzept eine gewaltige Laseranlage entstanden, das National Ignition Facility (NIF). Auf 20.000 Quadratmetern drängeln sich hier 192 Hochleistungslaser, die gemeinsam auf das Zentrum einer Reaktionskammer zielen. Gemeinsam sind sie in der Lage, in einem Lichtblitz von nur 20 Milliardstelsekunden (10⁻⁸ s) auf einem kleinen Fleck von der Breite eines Haares insgesamt 1,9 Megajoule zu konzentrieren. An dieser Stelle platzierten die Wissenschaftler das gefrorene Wasserstoffgemisch in einer kleinen Kapsel aus Gold. Unter der immensen Laserenergie verdampfte eine Außenschicht des Wasserstoffs schlagartig zu Plasma. Durch dessen plötzliche Ausdehnung implodierte der Brennstoff, was den für die Kernfusion erforderlichen Druck und die benötigten Temperaturen im Wasserstoff erzeugte.

Die amerikanischen Forscher verfolgen den Ansatz der Trägheitsfusion. In den wenigen Nanosekunden, in denen das Fusionsplasma aufgrund seiner eigenen Masseträgheit noch nicht auseinanderstiebt, kommt es zu den thermonuklearen Reaktionen. Es ist das Prinzip der Wasserstoffbombe, das sich aber möglicherweise auch für die zivile Energieerzeugung nutzen lässt.

Unterm Strich erreichte der Energie-Output der Anlage erst etwa 70 Prozent der zuvor hineingesteckten Laserenergie. Dabei bestand ein Großteil der freigesetzten Energie aus Neutronenstrahlung, keine ideale Energieform zur Stromerzeugung. Um mit diesem Ansatz eine erträgliche Stromquelle zu schaffen, müsste die Anlage etwa zehn Wasserstoffkapseln pro Sekunde zünden, wie die Forscher im Wissenschaftsmagazin Science vorrechnen. Damit haben sie noch einige technische Herausforderungen zu bewältigen.

Kontinuierliche Fusion im Magnetfeld

Ein kontinuierliches Sonnenfeuer verspricht die Kernfusion in einem Plasma, das berührungslos von einem Magnetfeld gehalten wird. Dieses Prinzip verfolgen die Ingenieure am Versuchsreaktor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) im südfranzösischen Cadarache, an dessen Aufbau 35 Nationen beteiligt sind, neben der EU vor allem China, Indien, Japan, Russland, Südkorea und die USA.

Im Zentrum der Großanlage steht ein ringförmiges Vakuumgefäß, das von 18 Magnetfeldspulen umringt und komplett umschlossen ist. Von dieser Konfiguration rührt der Name der Technik: Tokamak, ein russisches Kürzelwort, das in der Langfassung „toroidale Kammer in Magnetspulen“ bedeutet. In deren Magnetfeld wird das aufgeheizte und ionisierte Wasserstoffplasma berührungslos gehalten. Kein Material könnte das Plasma mit einer Temperatur von bis zu 150 Millionen Grad Celsius fassen und einer direkten Berührung standhalten. Zudem würde das Plasma bei jeder Berührung sehr schnell auskühlen und die Kernfusion-Kettenreaktion bräche ab.

Auch die ITER-Anlage soll ein Gemisch aus Deuterium und Tritium zur Fusion bringen. Um das zu erreichen, setzt die Anlage verschiedene Heizsysteme ein. Zunächst entsteht durch Magnetfelder ein elektrischer Strom im Plasma, der dieses durch Widerstandsleistung wie den Draht in einer Glühbirne aufheizt. Zudem injiziert ein Teilchenbeschleuniger Deuterium- und Tritiumatome mit hoher Energie in den Plasmastrom. Das dient der weiteren Aufheizung und füllt gleichzeitig im Prozess frischen Brennstoff nach. Darüber hinaus gelingt es mit einer Mikrowellenheizung, zehn Megawatt in den Plasmastrom einzubringen. Schließlich kommt noch eine Elektronen-Zyklotron-Resonanzheizung zum Einsatz, die die Elektronen im Plasmaring mit Funkwellen beschleunigt und damit ausgewählte Plasmabereiche gezielt aufheizen kann.

Strom aus der Dampfturbine

Die durch die Fusion freigesetzte Energie resultiert zu etwa 80 Prozent aus der Freisetzung von Neutronen, die elektrisch neutral und damit vom Magnetfeld unbeeinflusst das Plasma verlassen und auf den Hitzeschutz aus wassergekühlten Wolframkacheln im Plasmaring prallen. Zusätzlich heizen sich diese Platten durch Wärmestrahlung aus dem Plasma auf. Die Wasserkühlung führt diese Energiemengen ab und leitet den heißen Wasserdampf zur Stromerzeugung über Turbinen.

Ähnlich wie am kalifornischen LLNL muss also auch der ITER zunächst viel Energie aufbringen, um das Plasma aus etwa einem Gramm Wasserstoffisotopen auf Fusionstemperatur zu bringen. Einen zusätzlichen hohen Energiebedarf haben die 18 großen Magnetfeldspulen, die jeweils den Ring der Plasmakammer umklammern. Sie formen ein „D“ mit den Abmessungen 9 × 17 Meter. Bei einer Arbeitstemperatur von etwa −269 Grad Celsius sind sie supraleitend und erzeugen eine Feldstärke von 11,8 Tesla.

Seit wenigen Tagen, genau seit dem 5. September sind diese Werte allerdings schon fast veraltet. An diesem Tag erzeugten Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, eine Feldstärke von 20 Tesla mit einem supraleitenden Elektromagneten, der sogar bei −253 Grad Celsius arbeitet. Die Spulen dieses Magneten bestehen nicht mehr wie bisher im ITER aus Niob-Zinn, sondern aus einer Legierung aus seltenen Erden, Barium, Kupfer und Sauerstoff; es ist ein Hochtemperatursupraleiter. Die Hoffnung ist, dass mit höherer magnetischer Feldstärke die Kernfusion in einer kleineren Plasmakammer gelingt. Durch die daraus folgenden Energieeinsparungen, zu denen die Hochtemperatursupraleitung noch zusätzlich beiträgt, soll sich die Energiebilanz der ITER-Anlage weiter verbessern.

In der Versuchsanlage in Südfrankreich soll das erste Plasma 2025 zur Kernfusion gebracht werden. Bis dahin wollen die Ingenieure die neue Magnettechnik aus Cambridge eingebaut haben. Bisher geht man allerdings davon aus, dass frühestens 2035 eine Anlage für die wirtschaftliche Energiegewinnung mit Kernfusion den Betrieb aufnehmen kann.

Komplexere Stellarator-Technik

Ein Problem des Tokamak besteht darin, dass er im Betrieb einen erheblichen Plasmaverlust verzeichnet, der sich bislang nicht stoppen lässt. Während sich das Plasma durch den Plasmaring bewegt und die Teilchen dabei in einer schraubenförmigen Bewegung um die Magnetfeldlinien kreisen, wirkt sich nachteilig aus, dass das Magnetfeld im Zentrum stärker ist als außen. Das führt zu einem Teilchenstrom aus dem Plasma heraus. Man geht daher davon aus, dass eine Tokamak-Anlage letztlich nur pulsweise arbeiten könnte.

Erst nach der Entwicklung der Tokamak-Technik gelang es mit aufwendigen Computersimulationen, einen sogenannten Stellarator zu konzipieren. In der Fusionsanlage Wendelstein 7-X am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald wird diese Technik versuchsweise erprobt. Auch in einem Stellarator schließt ein Magnetkäfig das über 100 Millionen Grad Celsius heiße Fusionsplasma ein. In Greifswald nutzt die Versuchsanlage dazu 50 supraleitende Magnetspulen aus Niob-Titan. Die Weiterentwicklung gegenüber dem Tokamak besteht in der seltsam verbogenen Form des Plasmarings und der Magnetspulen.

Der Stellarator nutzt im Gegensatz zum Tokamak ein dreidimensional verdrilltes Magnetfeld. Einen ringförmigen Plasmastrom gibt es hier nicht. Rechnersimulationen konnten nachweisen, dass sich durch die komplexere Form der Magnetspulen und damit auch des Plasmabandes der Teilchenstrom nach außen erheblich verringern lässt. Ob damit tatsächlich ein Dauerbetrieb in einem Fusionskraftwerk möglich wird, wollen die Max-Planck-Wissenschaftler in Greifswald herausfinden.

Auf dem Weg zum Dauerbetrieb

Auf dem Weg dahin konnten sie bei Plasmazündungen im August einen Etappensieg verbuchen. Mit großem Simulationsaufwand hatten sie den Magnetkäfig ihrer Versuchsanlage weiter optimiert. Das Ergebnis: Ein noch einmal deutlich verringerter Teilchenverlust auch bei steigender Plasmatemperatur und damit auf 30 Prozent der Heizleistung abgesenkte Energieverluste. Jetzt bauen sie für Tests im Dauerbetrieb eine wassergekühlte Wandverkleidung in ihren Plasmaring im Versuchsreaktor ein. Die sogenannten Divertorplatten können Wärmebelastungen bis zu zehn Megawatt pro Quadratmeter abführen. Ihre Oberfläche ist durch kohlefaserverstärkten Kohlenstoff gegen die Hitze geschützt. Das Ziel der Forscher ist es, damit einen 30-minütigen Dauerbetrieb zu bestehen, um so den technischen Vorteil des Stellarators gegenüber dem Tokamak zu beweisen.

Aber auch Wendelstein 7-X hat keine Chance, bereits eine positive Strombilanz zu erzielen, dafür ist die Versuchsanlage einfach zu klein dimensioniert. Ihr Plasmaraum umfasst etwa 30 Kubikmeter und vor allem die eingesetzten Magnetspulen erzeugen lediglich eine Feldstärke von sechs Tesla. Damit können sie nur 30 Milligramm Plasma halten.

Tokamak hat noch die Nase vorn

Experten gehen angesichts der ITER-Großanlage davon aus, dass die erste wirtschaftliche Kernfusion auf der älteren Tokamak-Technologie beruhen wird. Im Zeitplan steht dafür heute 2035 als Termin, aber bis dahin sind noch einige technische Hürden zu nehmen.

Für die Stellaratortechnik muss das Wettrennen damit aber nicht verloren sein. Viele Kenner erwarten, dass sich die jüngere und komplexere Technik mit der Zeit durchsetzen kann und dann entweder in einer bestehenden Kernfusion-Großanlage nachgerüstet wird oder wenigstens in neuen Stromkraftwerken zum Einsatz kommt.

Als Triebkraft für die engagierte internationale Gemeinschaftsforschung wirken die hohen Energiemengen, die sich schon heute in Probeläufen aus wenigen Gramm oder auch nur aus dem Bruchteil eines Gramms Wasserstoffplasma erzeugen lassen. Und das Element Wasserstoff gibt es auf dem blauen Planeten in solchen Mengen, dass die Menschheit mit einer funktionierenden Kernfusionstechnik keine Energiesorgen mehr hätte. (agr@ct.de)

Virtueller Rundgang durch Wendelstein 7-X: ct.de/ys7c