Kernfusion als Energiequelle: Der Sonne abgeschaut

Kernfusion als Energiequelle: Der Sonne abgeschaut

 

Kernfusion ist eine Erfindung der Natur. Seit fünf Milliarden Jahren brennt im Innern der Sonne ein Fusionsofen bei der unvorstellbaren Temperatur von etwa zehn Millionen Grad, in dem vier Atomkerne des leichten Wasserstoffs zu einem schwereren Heliumkern verschmolzen werden. Dabei wird, neben anderem, auch eine bestimmte Menge Energie frei. Diese Energie ist es, die die Sonne zum Strahlen bringt. In jeder Sekunde werden vier Millionen Tonnen Materie »verbrannt«, und die freigesetzte Energie wird an der Oberfläche der Sonne mit einer Leistung von etwa 400 Quadrillionen Watt in den Weltraum abgestrahlt!

 

Kann eine solche Fusion zweier oder mehrerer Atomkerne als Vorbild für die irdische Energieproduktion taugen? Seit inzwischen mehr als vierzig Jahren ringt die Forschung um die Beantwortung dieser Frage. Immens sind die technischen Schwierigkeiten, aber immens wäre auch der Gewinn, wenn es gelänge, die Kernfusion nutzbar zu machen: Bei den Fusionsprozessen, wie sie in der Sonne ablaufen, wird etwa das Zehnmillionenfache an Energie dessen freigesetzt, was bei der Verbrennung der gleichen Menge Kohle oder Öl entsteht; dies ist immerhin zehnmal mehr, als bei der Kernspaltung frei wird, und als Rohstoff braucht die Sonne nichts als den fast unbegrenzt verfügbaren Wasserstoff.

 

 Die Entdeckung des Sonnenfeuers

 

Für lange Zeit war es ein ungelöstes Rätsel, auf welche Weise die Sonne, und mit ihr die anderen unzähligen Sterne des Universums, die Energie für ihre Strahlung erzeugen. Es brauchte die Erkenntnisse der modernen Physik des 20. Jahrhunderts, um zu verstehen, was im Innern der Sterne vor sich geht.

 

Der berühmte englische Astronom Sir Edward Eddington vermutete 1926 als Erster, dass die Sonne ihre Energie aus Kernreaktionen beziehen könnte; er kam jedoch zu dem Ergebnis, dass die Temperaturen im Innern der Sonne eigentlich nicht ausreichen dürften, um Kernfusionsprozesse zu starten. Die erst kurz zuvor in ihren Grundlagen erhärtete Quantentheorie konnte helfen, diesen Widerspruch zu klären. Geoffrey Atkinson und Fritz Houtermans wiesen 1929 in ihrem Aufsatz »Zur Aufbaumöglichkeit der Elemente« nach, dass Wasserstoff auch bei Temperaturen, wie sie in der Sonne herrschen, zu Helium fusionieren kann, wenn man einen der erstaunlichsten Effekte der Physik des Mikrokosmos berücksichtigt, der heute als Tunneleffekt bekannt ist: Mikroskopische Teilchen, beispielsweise Atomkerne, sind mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in der Lage, auch solche Barrieren zu durchdringen, die nach den Gesetzen der klassischen Physik absolut unüberwindlich wären. Dies bewirkt, dass zwei Atomkerne einander auch dann nahe genug kommen können, um zu verschmelzen, wenn die gegenseitige elektrische Abstoßung dies eigentlich in jedem Fall verhindern sollte. 1934 war es dann so weit, dass die Teilchenbeschleuniger genügend hohe Energien erreichen konnten, um erstmals die Fusion auf die Erde zu holen; Ernest Rutherford gelang der Nachweis der Verschmelzung von Deuteronen in einem Laborexperiment. Wie ein Fusionsprozess im Innern eines Sterns genau aussehen kann, beschrieben Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker 1939 unabhängig voneinander; kurz darauf wurde dann mit der Proton-Proton-Reaktion auch der Fusionsprozess entdeckt, der tatsächlich für die Energieproduktion in unserem Zentralgestirn verantwortlich ist; die Sonne hatte damit das Geheimnis ihrer Strahlung preisgegeben.

 

In den 1940er-Jahren gab es dann erste Überlegungen, die Fusionsenergie technisch zu nutzen; 1946 wurde ein erstes US-Patent für Kernfusion verliehen. Der Krieg und die nachfolgende militärische Entwicklung gaben der Geschichte der Kernfusion eine Wendung in eine völlig andere Richtung: Unmittelbar nachdem der Bau der Kernspaltungsbombe gelungen war, wurde der Ruf nach einer noch furchtbareren Waffe, wie sie die Kernfusionsbombe sein würde, laut. 1950 gab der amerikanische Präsident Truman der Öffentlichkeit bekannt, dass die Konstruktion der Wasserstoffbombe nun forciert betrieben werde. Dies war der Startschuss für das Wettrüsten der Kernfusionswaffen. Ende 1952 explodierte die erste amerikanische Wasserstoffbombe auf einer kleinen Insel im Pazifik, und im August 1953 zog die Sowjetunion mit zwei Testexplosionen nach. Die Bemühungen um eine zivile Nutzung der Kernfusion war damit zunächst einmal in den Hintergrund gedrängt. Bis Ende der 1950er-Jahre verläuft die Geschichte der Kernfusion im Dunkel weitgehender militärischer Geheimhaltung. Während dieser Zeit wurde zwar auch an der technischen Nutzung der Kernfusion gearbeitet — so entwickelten in Russland Andrej Sacharow und Igor Tamm in den frühen 1950er-Jahren das grundlegende Konzept des Tokamaks, in den USA erfand Lyman Spitzer den Stellarator, und Physiker wie Enrico Fermi und Edward Teller bemühten sich gleichfalls um Fortschritte beim magnetischen Plasmaeinschluss —, doch erst 1958 wurden die Forschungsergebnisse teilweise veröffentlicht. Selbst heute noch unterliegt ein Teil der Erkenntnisse militärischer Geheimhaltung. Der internationale Vergleich der Resultate zeigte, dass die Forschung überall mit den gleichen Problemen zu kämpfen hatte: Um die Bedingungen für eine kontrollierte Kernfusion zu schaffen, müssen unvorstellbar hohe Temperaturen bei hohen Materiedichten erzeugt werden. Die folgenden Jahrzehnte sind durch die fortwährende Suche nach dem Weg gekennzeichnet, wie sich das Feuer der Sonne im Innern eines Reaktorgefäßes entzünden lässt. Eine Vielzahl nationaler und internationaler Plasmaexperimente verschiedenster Bauart — mit linearen und ringförmigen Magnetfeldern, Stellaratoren, Spiegelmaschinen und so weiter — zeugt von diesem Weg. Zurzeit befindet sich ein internationales Großprojekt mit Namen ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) in Planung, mit dem ein großer Teil der noch offenen Fragen beantwortet werden soll.

 

 Energie aus der Verschmelzung der Kerne

 

Die Sonne macht uns vor, wie man mittels der Verschmelzung zweier leichter Atomkerne erhebliche Energiemengen freisetzen kann; mit zwei schweren Kernen funktioniert dies jedoch nicht — damit sie fusionieren, muss sogar Energie zugeführt werden. Was für eine Art von Energie ist es, die in den Atomkernen gespeichert ist, und wie kommt es zu dieser eigentümlichen Abhängigkeit von der Kernmasse? Ein Blick in das Innere der Atome wird bei der Beantwortung dieser Fragen helfen.

 

Die Kernkraft

 

Jedes Atom, gleich welcher Sorte, hat einen kompakten und dichten Atomkern, der elektrisch positiv geladen ist und fast die gesamte Masse des Atoms enthält. Daneben besitzt jedes Atom eine Hülle, die aus den sehr leichten, negativ geladenen Elektronen besteht. Der Atomkern wiederum ist aus den positiv geladenen Protonen und den elektrisch neutralen, gleich schweren Neutronen aufgebaut. Die Anzahl der Protonen im Kern und der Elektronen in der Hülle ist gleich, sodass das Atom nach außen hin als elektrisch neutral erscheint. Die Kraft, die den Atomkern zusammenhält, wird als Kernkraft oder auch starke Kraft bezeichnet; dieser Name rührt daher, dass die Kernkraft unter den elementaren Kraftwirkungen der Natur bei weitem die stärkste ist. Im Gegensatz zur Schwerkraft und zu den elektromagnetischen Kräften, die auch über sehr große Entfernungen wirksam sind, hat die Kernkraft eine sehr geringe Reichweite — außerhalb des Atomkerns ist sie praktisch nicht zu spüren, innerhalb des Kerns aber übt sie eine so starke anziehende Wirkung aus, dass der Kern fest zusammengehalten wird. Die Kernkraft ist gleichsam der Klebstoff des Atomkerns.

 

Verschmelzung und Bindungsenergie

 

Kommen nun zwei leichte Atomkerne einander so nahe, dass die Kernkräfte des einen auch auf den anderen wirken, so verschmelzen die beiden Kerne zu einem einzigen. Die Kraftwirkung, die jedes Nukleon erfährt — Nukleon ist die Sammelbezeichnung für Protonen und Neutronen —, ist in dem schwereren Kern höher als sie in den beiden leichteren Kernen war; die Bindungsenergie — und damit auch der Massendefekt — ist also für den neu entstandenen Kern, den Fusionskern, höher. Der Unterschied der Massendefekte des Fusionskerns und der beiden Ausgangskerne wird bei der Kernverschmelzung gemäß der Einstein'schen Formel E = mc² als Energie frei.

 

Diese abstrakte Überlegung lässt sich mittels eines einfachen Rechenexempels verdeutlichen. Betrachten wir einen Fusionsprozess, der für die Energieerzeugung besondere Bedeutung hat: Ein Deuteriumkern, bestehend aus einem Proton und einem Neutron, verschmilzt mit einem Tritiumkern, der ein Proton und zwei Neutronen enthält. Die Bindungsenergie des Deuteriumkerns beträgt 1,0 MeV pro Nukleon, also insgesamt 2,0 MeV (Megaelektronenvolt); diejenige des Tritiumkerns beträgt 2,8 MeV für jedes Nukleon, in der Summe demnach 3 mal 2,8 = 8,4 MeV. Die Bindungsenergie des Heliumkerns ist mit 7,0 MeV pro Nukleon viel höher; insgesamt enthält der Heliumkern 4 mal 7 = 28 MeV Bindungsenergie. Bei der Fusion wird also ein Energiebetrag von 28 — 8,4 — 2,0 = 17,6 MeV als Überschuss frei.

 

Überwindung der elektrostatischen Abstoßung

 

Damit zwei Atomkerne miteinander verschmelzen können, müssen sie sich zuvor sehr nahe kommen. Die Atomkerne sind jedoch elektrisch positiv geladen und stoßen sich deshalb gegenseitig ab. Erst wenn sich die Kerne auf weniger als etwa 100 000stel des Atomradius — der Atomradius beträgt etwa 10^-8 Zentimeter — angenähert haben, überwindet die anziehende Kernkraft, die zur Verschmelzung führt, die elektrische Abstoßung. Wie kann diese Barriere überwunden werden? Im Innern der Sonne gelingt dies, weil die Atomkerne eine so hohe Geschwindigkeit haben, dass sie die elektrostatische Barriere durchstoßen können — man spricht hier auch von der dynamischen Methode. Auf der Erde findet man die dafür nötigen Geschwindigkeiten bei Kernreaktionen in Teilchenbeschleunigern oder eben in den heißen Plasmen der Kernfusionsexperimente.

 

Außer der dynamischen Methode gibt es noch ein statisches Verfahren, die elektrische Abstoßung der positiven Atomkerne zu überwinden: die kalte Kernfusion. Die wesentliche Idee besteht darin, die Abstoßung der beiden positiv geladenen Atomkerne durch die Wirkung von zwischen den Kernen befindlichen negativ geladenen Teilchen, wie zum Beispiel Elektronen oder Myonen, teilweise abzuschirmen. (Myonen sind instabile negativ geladene Teilchen, deren Masse 270-mal größer als diejenige der Elektronen ist. Sie werden manchmal auch schwere Elektronen genannt.) Auf diese Weise können sich die Reaktionspartner sehr viel näher kommen, bevor die elektrische Abstoßung wirksam wird. Die myonkatalysierte Kernfusion ist ein Beispiel für kalte Kernfusion. Dabei werden in Molekülen des schweren und überschweren Wasserstoffs (Deuterium und Tritium) die Elektronen in der Atomhülle durch wesentlich schwerere Elementarteilchen, Myonen, ersetzt. Aufgrund seiner 200-mal größeren Masse hat das Myon eine 200-mal engere Umlaufbahn um den Atomkern als das Elektron, und auch der Abstand der beiden Atomkerne im Molekül wird um den Faktor 200 kleiner. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit von Kernfusionsreaktionen erheblich. Solche Fusionsreaktionen sind tatsächlich beobachtet worden. Die hohen Geschwindigkeiten der dynamischen Methode sind hier nicht nötig, daher der Name »kalte Kernfusion«.

 

Eine andere Variante der kalten Kernfusion, die Kernfusion im Reagenzglas, die eine amerikanische Forschergruppe vor einigen Jahren beobachtet haben wollte, hat einen beachtlichen Pressewirbel verursacht. Dabei sollen Fusionsprozesse im Innern geeigneter metallischer Festkörper oder im Elektrolyten bei Raumtemperatur ausgelöst werden. Die Möglichkeit eines solchen Fusionsprozesses kann im Prinzip nicht ausgeschlossen werden, jedoch ließen sich die spektakulären Resultate wissenschaftlich nicht erhärten, sodass diese Variante der kalten Fusion heute nicht mehr ernsthaft diskutiert wird.

 

Die D-T-Reaktion

 

Haben zwei Atomkerne die elektrische Abstoßungsbarriere überwunden, so beginnt der Fusionsprozess. Die Verschmelzung zweier Kerne kann eine Folge von Kernreaktionen sein, die durch eine Vielzahl physikalischer Gesetzmäßigkeiten gesteuert werden. Es ist also nicht immer so, dass die beiden Kerne einfach ineinander fallen und so einen neuen Kern bilden. Beispielsweise ist der historisch als erster beschriebene Wasserstoff-zu-Helium-Fusionsmechanismus, nach seinen Entdeckern Bethe-Weizsäcker-Zyklus benannt, ein Kreisprozess mit sechs Zwischenstationen, die im Mittel erst nach 320 Millionen Jahren durchlaufen sind. Auch der in der Sonne dominierende Fusionsprozess, die Proton-Proton-Reaktion, läuft zu langsam ab, um als Vorbild für die Energieproduktion auf der Erde dienen zu können.

 

Es gilt hier also, einen Fusionsprozess zu finden, der möglichst große Reaktionsgeschwindigkeit bei möglichst niedriger Temperatur mit möglichst hoher Energieabgabe pro Reaktion verbindet. Es hat sich gezeigt, dass in diesem Sinne die Fusionsprozesse auf der Basis schwerer Wasserstoffisotope wesentlich Gewinn bringender sind als die Kerne »normalen« Wasserstoffs.

 

Die Erforschung der kontrollierten Kernfusion hat sich bisher auf die Deuterium-Tritium-Reaktion (D-T-Reaktion) konzentriert, da diese die geforderten Bedingungen fast optimal erfüllt: Sie weist die höchste Reaktionsgeschwindigkeit auf, hat das Maximum ihrer Ausbeute bei der niedrigsten Temperatur und liefert überdies pro Reaktion fast den höchsten Energiebetrag.

 

Die D-T-Reaktion ist durch eine Besonderheit gekennzeichnet: Die Energie wird nicht wie bei der Sonne in Form von Strahlungsquanten frei, sondern wird hauptsächlich von schnellen Neutronen, die eine Energie von 14 MeV haben, fortgetragen.

 

Ein Nachteil dieses Prozesses ist, dass als Kernbrennstoff das radioaktive Wasserstoffisotop Tritium (Halbwertszeit 12 Jahre) benötigt wird. Tritium kommt in der Natur nur in Spuren vor, kann jedoch bei der Kernfusion im Kraftwerk mithilfe der schnellen Neutronen aus Lithium erbrütet werden. Von außen müssen also Deuterium und Lithium als Brennstoffe geliefert werden. Deren Vorräte sind geographisch gleichmäßig über die Erde verteilt und reichen aus, um die Energieversorgung für praktisch unbegrenzte Zeit zu garantieren. So ist Deuterium mit 0,015 Prozent im natürlichen Wasserstoff vorhanden; Wasser enthält also 0,003 Gewichtsprozent Deuterium, und Lithium ist außer in der Landmasse auch im Meerwasser zu 0,1—0,2 tausendstel Promille vorhanden. Die D-T-Reaktion ist also ein aussichtsreicher Kandidat für eine praxistaugliche Energieproduktion mittels Kernfusion.

 

Das Prinzip eines Fusionskraftwerks

 

Das Herz eines Fusionskraftwerks ist die ringförmige Plasmakammer, in der die Fusionsprozesse stattfinden. Durch die Fusionsreaktionen mit Deuterium und Tritium entsteht ein ständiger Strom von Alphateilchen und Neutronen. Die Alphateilchen geben ihre Energie an das Brennstoffplasma ab und sorgen dadurch für den Erhalt der hohen Temperatur. Die Neutronen, die den größten Teil der Fusionsenergie mit sich tragen, durchfliegen das Reaktorgefäß ungebremst und kommen erst nach Durchdringen der ersten Wand in der dahinter liegenden Brutzone, dem Blanket, zur Ruhe. Dort geben sie ihre Energie durch Stöße an das Blanketmaterial ab und erhitzen es dadurch. Ein Kühlmittel führt die erzeugte Wärme einem Dampfkreislauf zu, in dem letztlich mit Turbinen die elektrische Energie erzeugt wird. In dem Blanket wird außerdem Lithium unter Beschuss der Neutronen in das erforderliche Tritium umgewandelt, das »aufgesammelt« und nach Zwischenspeicherung zusammen mit dem zweiten Brennstoff, dem Deuterium, dem Brennstoffplasma wieder zugeführt wird. Pro Stunde verbraucht ein Kraftwerk mit 1000 Megawatt (Millionen Watt) elektrischer Leistung nicht mehr als 20 Gramm Tritium!

 

Zwischen dem Blanket und den supraleitenden Magnetspulen befindet sich noch eine Neutronenabschirmung aus Stahl und Wasser, die den Einstrom von Neutronen in die Spulen, die Heizapparaturen und die Umgebung reduziert. Die gesamte Apparatur ist schließlich von einer zusätzlichen Sicherheitshülle umgeben.

 

Ein solches Kraftwerk ist jedoch heute noch Zukunftsmusik. Eine ganze Reihe physikalischer Fragen will beantwortet sein, und schwierige technologische Probleme müssen überwunden werden, bevor der elektrische Strom aus der Kernfusion fließen kann.

 

 Wie entzündet man das Fusionsplasma?

 

Um bei der D-T-Reaktion genügend hohe Ausbeuten zu erreichen, müssen die Reaktionspartner auf Temperaturen um 100 Millionen Grad gebracht werden; das ist die zehnfache Temperatur des Sonneninnern! Bei solchen Temperaturen werden die Elektronen des Wasserstoffs vollständig von den Atomkernen getrennt; es bildet sich ein Plasma, ein nach außen elektrisch neutrales Gemisch von Elektronen und Ionen.

 

Selbst unter solchen Bedingungen führt nur einer von zehntausend Stößen zwischen zwei Atomkernen zur Fusion; bei 9999 prallen die Stoßpartner elastisch aneinander ab. Mit anderen Worten: Zwei Atomkerne müssen zehntausendmal »Anlauf nehmen«, bevor sie erfolgreich miteinander verschmelzen. Würden die Reaktionspartner nach jedem erfolglosen Versuch das Reaktionsvolumen verlassen, so müsste man ihnen bei jedem weiteren Anlauf erneut die ganze nötige Energie wieder mitgeben. Aus diesem Grund müssen die Atomkerne des heißen Plasmas hinreichend lange im Reaktionsvolumen eingeschlossen bleiben, damit Fusionsreaktionen häufig genug stattfinden. Diesen Einschluss zu erreichen, ist eines der physikalischen Hauptprobleme der Kernfusionsforschung.

 

Zündbedingung und Einschlusszeit

 

Was aber heißt »häufig genug«? Als Minimalanforderung an ein Fusionskraftwerk muss gelten, dass sich das Plasma selbst unterhält, ohne dass Energie von außen zugeführt werden muss. Dies wird im Zündkriterium präziser formuliert. Nicht identisch mit dem Zündkriterium ist das oft zitierte Lawson-Kriterium, das einen Sachverhalt beschreibt, der eher theoretischer Natur und im Hinblick auf die Nutzung der kontrollierten Kernfusion weniger relevant ist.

 

Wie sieht beispielsweise die Energiebilanz der D-T-Reaktion genau aus? Bei der Fusion entstehen ein Heliumkern — als Alphateilchen bezeichnet — mit einer Energie von 3,5 MeV und ein Neutron mit 14 MeV. Das Neutron geht mit dem Plasma keine nennenswerte Wechselwirkung ein, da es elektrisch neutral ist — bleibt also als Energielieferant für das Plasma das Alphateilchen, das durch Stöße seine Energie an das Plasma abgibt und es dadurch aufheizt. Wenn die Zahl der pro Sekunde entstehenden Alphateilchen ausreicht, um auf diese Weise die Temperatur im Innern des Plasmas aufrechtzuerhalten, so ist die Zündbedingung erfüllt: Alle externen Heizeinrichtungen können dann abgeschaltet werden, und das Plasma wird ohne äußere Energiezufuhr »weiterbrennen«. Diesen Vorgang nennt man thermonukleare Zündung.

 

Ob dieser Zustand erreicht wird, hängt neben Dichte und Temperatur des Plasmas von der Einschlusszeit ab, einer Zeitgröße, mit der beschrieben wird, wie gut das Plasma nach außen thermisch isoliert ist. Je besser die thermische Isolation, desto geringer sind die Energieverluste, desto länger ist die Einschlusszeit — und desto eher ist die Zündbedingung erfüllt. Formal wird die Energieeinschlusszeit definiert als Energieinhalt des Plasmas dividiert durch die Heizleistung, die zur Aufrechterhaltung der Temperatur erforderlich ist. Die Einschlusszeit beträgt bei einem gezündeten Plasma typischerweise einige Sekunden.

 

 Einschlussverfahren

 

Um das Zündkriterium zu erfüllen, muss man also verhindern, dass die Energie der Reaktionspartner zu schnell aus dem Innern des Plasmas entweicht und der Brennvorgang erlischt: Man muss das Plasma einschließen. Die nahe liegendste Methode, das Plasma in einen Kasten mit festen Wänden einzusperren, lässt sich nicht durchführen: Bei jedem Kontakt des heißen Plasmas mit einer Wand würde das Wandmaterial sofort verdampfen, und gleichzeitig würde sich das Plasma stark abkühlen. Als Alternativen werden zwei Verfahren erprobt: Entweder man sorgt dafür, dass die zehntausend »Anlaufversuche« so schnell stattfinden, dass die Partner allein aufgrund ihrer Trägheit das Reaktionsvolumen noch nicht verlassen haben (»Trägheitseinschluss«), oder man hält die Elektronen und Ionen des Plasmas mit magnetischen Kräften im Reaktionsvolumen zurück (»magnetischer Einschluss«).

 

Trägheitseinschluss

 

Beim Trägheitseinschluss wird der Fusionsbrennstoff zu kleinen Kügelchen (englisch »pellets«) geformt, die eingefroren und mit verschiedenen zusätzlichen Schichten überzogen werden. Das Pellet wird dann mit fokussierten Laser- oder Teilchenstrahlen so schnell verdichtet und gleichzeitig aufgeheizt, dass ein erheblicher Teil des Brennstoffs in Fusionsprozessen verbrennt, bevor das Pellet auseinander fliegt. Die Kompression des Brennstoffs wird mit einem Kunstgriff erreicht: Durch die starke Bestrahlung des Kügelchens bewirkt man zunächst, dass die äußere Umhüllung des Brennstoffs explosionsartig verdampft und nach außen entweicht; der dadurch entstehende »Rückstoß« nach innen verdichtet dann den inneren Teil des Pellets.

 

Bei der Realisierung dieses Konzepts hat man mit enormen technischen Problemen zu kämpfen. Für die Zündbedingung beim Trägheitseinschluss gilt vereinfacht, dass das Produkt aus Teilchendichte und Radius eines Pellets eine gewisse Mindestgröße überschreiten muss. Andererseits ist man aus zwei Gründen bemüht, die Pellets so klein wie möglich zu halten: um die zur Aufheizung des Kügelchens erforderliche Energie auf einen Schlag aufbringen zu können und um die Wände des Reaktorgefäßes zu schonen, die bei der Explosion zu großer Pellets beschädigt werden könnten. Damit auch bei kleinen Pellets von 0,1 Millimeter Radius das Zündkriterium erfüllt werden kann, muss der Brennstoff im Kügelchen um einen Faktor 1000 verdichtet werden. Die dazu erforderliche Energie des Strahlpulses liegt im Bereich von einigen Millionen Joule, die innerhalb des extrem kurzen Zeitraums von etwa einer milliardstel Sekunde zugeführt werden muss. Darüber hinaus muss die Bestrahlung sehr gleichmäßig von allen Seiten erfolgen, damit der Rückstoß der verdampfenden äußeren Schichten tatsächlich zu der nötigen starken Kompression des Pellets führt. Ein weiteres Problem ist, dass die derzeit leistungsstärksten Laser nur etwa ein Zehntel der erforderlichen Energie liefern. Auch die Energiebilanz der Trägheitsfusion ist problematisch: Damit der Reaktor weniger Energie verbraucht als er erzeugt, müssen die verwendeten Laser einen Wirkungsgrad von mindestens zehn bis zwanzig Prozent aufweisen, und damit ein möglichst großer Teil der Laserenergie tatsächlich zur Heizung des Fusionsplasmas beiträgt, ist eine hohe Wiederholungsrate von einem bis zehn Laserpulsen pro Sekunde erforderlich.

 

Jedes Pellet stellt eine Minibombe dar, deren Explosion zu einer überaus starken Belastung des Reaktorgefäßes führt. Ein Kügelchen mit einem Milligramm D-T-Gemisch setzt beispielsweise auf einen Schlag so viel Energie frei wie die Explosion von zwanzig Tonnen TNT! Zum Schutz wird daher eine spezielle Auskleidung des Reaktorgefäßes vorgeschlagen. Dabei wird beispielsweise flüssiges Metall in Rotation versetzt und durch die Zentrifugalkraft an die Gefäßwände gedrückt, sodass ein Hohlraum entsteht, in dem die Fusionsminibomben explodieren können.

 

Dies alles ist derzeit technisch noch nicht gelöst; leistungsstärkere Laser befinden sich jedoch bereits im Bau, und die Energiebilanz hofft man durch den Einsatz von Teilchenstrahlen — beispielsweise Schwerionenstrahlen — verbessern zu können.

 

Die Trägheitsfusion wird heute überwiegend in den USA und Japan untersucht. Wegen ihrer militärischen Bedeutung wurden die Experimente zur Trägheitsfusion lange Zeit geheim gehalten und erst vor wenigen Jahren teilweise offen gelegt. Auch heute ist es noch nicht möglich, den experimenellen Kenntnisstand eindeutig zu beurteilen. Fest steht jedenfalls, dass eine 600fache Verdichtung der Pellets in Kompressionsversuchen mit Lasern erzielt wurde; anderes liegt noch im Dunkel.

 

Magnetischer Einschluss

 

Ein Plasma enthält bei sehr hohen Temperaturen ausschließlich geladene Teilchen. Geladene Teilchen aber lassen sich durch elektrische oder magnetische Kräfte in ihrer Bahn beeinflussen. In einem Magnetfeld beispielsweise können sich die Ionen und die Elektronen des Plasmas längs der Feldlinien ungehindert bewegen, bei Bewegungen senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes hingegen werden sie auf Kreis- oder Schraubenbahnen um die Feldlinien gezwungen. Je stärker das Feld, desto enger ist die Schraubenbahn. Dies kann man zum Bau eines magnetischen Plasmakäfigs ausnutzen: Geladene Teilchen können sich in einem starken Magnetfeld längs der Feldlinien frei bewegen, jedoch seitlich nicht mehr entweichen; sie sind gleichsam an den Feldlinien festgebunden. Bei einem Magnetfeld, dessen Feldlinien parallel und geradlinig in einer Richtung verlaufen, können die geladenen Partikel jedoch an den beiden Enden des Feldes austreten. Dem kann man zwar entgegenwirken, indem man an den Enden eine Magnetfeldkonfiguration schafft, die wie ein magnetischer Spiegel wirkt, sodass die Teilchen reflektiert werden, vorteilhafter ist es aber, das Magnetfeld kreisförmig zu schließen, sodass es keinen Anfang und kein Ende hat.

 

Eine solche toroidale Feldkonfiguration hat gegenüber einem linearen, offenen Feld den Vorteil, dass an den Enden des Feldes keine Teilchen austreten können. Daher wird der magnetische Einschluss heute überwiegend mit toroidalen, geschlossenen Magetfeldern bewerkstelligt.

 

Toroidales und poloidales Magnetfeld; das Plasma-Beta

 

Mit dem toroidalen Magnetfeld allein wäre bei der toroidalen Konfiguration kein stabiler Einschluss des Plasmas zu erreichen: Weil das Magnetfeld als Folge der Biegung zu einem geschlossenen Kreis nach außen hin abfällt, beginnen die Plasmateilchen je nach Ladung nach oben oder nach unten zu wandern; das Plasma würde also nach den positiven Ionen und den negativen Elektronen räumlich getrennt und wäre dann nicht mehr stabil. Um dem entgegenzuwirken, muss dem ringförmigen Hauptmagnetfeld ein weiteres, poloidales Zusatzfeld überlagert werden, das bewirkt, dass sich die Feldlinien ähnlich wie ein Drahtseil verdrillen und dann schraubenförmig um die zentrale Feldlinie, die Torusseele, winden. Dadurch werden die Plasmateilchen abwechselnd in die obere und in die untere Hälfte des Torus geführt, und die Wanderbewegung der Ionen und Elektronen gleicht sich im Mittel aus.

 

Ähnlich wie ein heißer Dampf und ein heißes Gas erzeugt auch das heiße und dichte Plasma einen ganz erheblichen Druck, der mit steigender Temperatur und Dichte wächst. Diesem Druck (bei einem Reaktorplasma etwa 10 bar) muss das einschließende Magnetfeld das Gleichgewicht halten, indem es die geladenen Plasmateilchen an die Feldlinien »bindet«. Der Druck des Magnetfelds wächst mit dem Quadrat des Magnetfelds. Das Verhältnis von Plasmadruck zu Magnetfelddruck nennt man »Beta« (β). In der Realität liegt dieses Plasma-ß je nach Magnetfeldform zwischen einigen Prozent und knapp zehn Prozent, höhere Werte sind durch das Einsetzen von Instabilitäten nicht möglich. Das Plasma-ß bestimmt sozusagen die Effizienz des magnetischen Einschlusses unter ökonomischen Gesichtspunkten. Denn einerseits wird umso mehr Fusionsleistung freigesetzt, je höher der Energieinhalt (sprich der Druck) des Plasmas ist. Andererseits kostet das Kraftwerk umso mehr, je höher der nötige Magnetfelddruck (der mit dem Quadrat des Magnetfelds wächst) ist, weil das Magnetfeld von teuren supraleitenden Spulen erzeugt werden muss. Das Plasma-ß gibt also an, wie viel Fusionsleistung man für sein Geld bekommt.

 

Tokamak oder Stellarator?

 

Das toroidale Hauptmagnetfeld zu erzeugen, macht prinzipiell keine Schwierigkeiten: Eine größere Anzahl von stromdurchflossenen Spulen, die in gleichmäßigen Abständen das torusförmige Plasmafeld umfassen, sorgt für die gewünschte Feldkonfiguration. Wie aber kann das poloidale Zusatzfeld generiert werden, das die Verdrillung der Feldlinien bewirkt? Hierzu gibt es zwei Antworten: Tokamak oder Stellarator.

 

Beim Tokamak — der Begriff stammt von der russischen Abkürzung für »torusförmige Kammer mit Magnet« — wird ein raffinierter Kunstgriff angewendet: Mithilfe eines großen Transformators, dessen einzige Sekundärwicklung das Plasma ist, wird im Plasma selbst ein elektrischer Strom induziert, der längs des Torus im Kreis fließt. Dieser Strom wiederum erzeugt ein Magnetfeld, dessen Feldlinien kreisförmig um den Stromfluss verlaufen: das poloidale Feld. Damit ist die Verdrillung der Feldlinien erreicht.

 

Der Plasmastrom im Tokamak hat noch eine zweite wichtige Funktion: Er bewirkt die anfängliche Aufheizung des Plasmas. Diese Methode der Heizung des Plasmas durch den Plasmastrom wird als Ohm'sche Heizung bezeichnet, da hier im Prinzip das Gleiche geschieht wie bei der Aufheizung eines Metalldrahtes, wenn ein Strom durch ihn fließt.

 

Typische derzeitige Tokamak-Experimente arbeiten mit Plasmaströmen von mehreren Millionen Ampere; im Fusionsexperiment JET (Joint European Torus) beispielsweise beträgt die Stromstärke sieben Millionen Ampere. Für das geplante internationale Projekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) sind Ströme von über 20 Millionen Ampere vorgesehen.

 

Das Tokamak-Prinzip hat einen entscheidenden Haken: Da der Transformator grundsätzlich nur Wechselströme in dem Plasma induzieren kann, also keinen zeitlich konstanten Gleichstrom, baut sich das poloidale Zusatzfeld in regelmäßigem Wechsel auf und bricht wieder zusammen. Der Tokamak kann also nur gepulst arbeiten, sofern man keine besonderen Kunstgriffe anwendet, die dann doch einen kontinuierlichen Betrieb des Reaktors ermöglichen.

 

Beim Stellarator tritt dieses Problem nicht auf. Hier wurde eine ganz andere Lösung für die Erzeugung des poloidalen Felds gefunden: Ein System äußerer Magnetspulen sorgt für die Verdrillung der Feldlinien. Allerdings ist der Preis, den man dafür zu zahlen hat, ein komplizierteres Magnetspulensystem. Ist man aber bereit, diesen zusätzlichen Aufwand zu erbringen, erhält man neben der Möglichkeit zum stationären Betrieb eine Plasmakonfiguration, in der eine Reihe der beim Tokamak gefürchteten Instabilitäten, die von dem Stromfluss im Plasma herrühren, nicht auftreten.

 

Trotz dieser Vorteile des Stellarators ist die Tokamak-Linie sehr viel weiter entwickelt als die Stellarator-Linie, weil die Magnetfeldtechnik des Tokamaks eben sehr viel einfacher ist. Die Berechnung der optimalen Form der komplizierten Stellarator-Spulen wurde erst seit den späten 1980er-Jahren mittels Einsatz moderner Großrechner möglich.

 

Die größten Probleme

 

Trotz der Verdrillung der Feldlinien ist ein Plasma im Tokamak oder Stellarator nicht völlig verlustfrei eingeschlossen. Infolge der zahlreichen elastischen Stöße, die ja viel häufiger als die Fusionsstöße sind, springen die Teilchen aus ihrer Bahn, die durch die Magnetfeldlinien vorgegeben ist, und können so nach und nach an den Rand des Plasmas geraten, um schließlich nach außen zu verschwinden. Auf diese Weise geht gleichzeitig auch Wärmeenergie aus dem Innern des Plasmas verloren. Wie und mit welcher Geschwindigkeit dies genau geschieht, ist noch nicht verstanden; bei allen bisherigen Experimenten sind die Verluste bedeutend größer, als theoretische Berechnungen vorhergesagt haben. Man spricht hier daher von einem anomalen Transport von Teilchen und Energie aus dem Plasma.

 

Es ist jedoch offensichtlich, dass gilt: Je dicker das Magnetfeldvolumen bei gleichem Energieinhalt, desto geringer sind die Verluste — oder, anders gesprochen, desto länger ist die Einschlusszeit. Das Erreichen des Zündkriteriums ist daher an eine bestimmte Mindestgröße des Fusionskraftwerks geknüpft. Die Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Plasmaradius und Einschlusszeit, von dem also auch die minimale Größe eines Reaktors abhängt, zählt derzeit zu den wichtigsten ungelösten Problemen der Fusionsforschung.

 

Ein weiteres Problem, das sich aus den unvermeidlichen Verlusten ergibt, sind die Teilchen, die beständig aus dem Plasma auf die umgebenden Wände des Reaktorgefäßes einströmen. Werden diese Partikel nicht vor der Wand abgefangen, so erhitzt sich das Wandmaterial lokal stark und kann im schlimmsten Falle sogar schmelzen. Außerdem werden durch den Teilchenbeschuss Partikel des Wandmaterials herausgeschlagen. Auf diese Weise gelangen beispielsweise Eisen-, Nickel- oder Chromatome in das Plasma, wo sie ionisiert werden und als Plasmaverunreinigungen wirken. Schwere Verunreinigungsatome werden auch bei Fusionstemperatur nur teilweise ionisiert. Die Elektronen, die in den Atomrümpfen verbleiben, werden durch Stöße mit den Plasmaelektronen angeregt und strahlen elektromagnetische Wellen aus, Verunreinigungsstrahlung genannt, deren Energie dem Plasma verloren geht. Das Plasma kühlt sich ab, die Fusionsausbeute verringert sich, und im schlimmsten Falle kann das Plasma erlöschen. Man leitet daher die Magnetfeldlinien außerhalb des Plasmas in eine gesonderte Kammer ab, wo die Partikel, die das Plasma verlassen haben, mit speziellen Prallplatten aufgefangen werden. Diese Einrichtung trägt die Bezeichnung Divertor.

 

 Heizung und Brennstoffnachschub

 

Sowohl beim Tokamak als auch beim Stellarator muss die Plasmatemperatur durch Aufheizung von außen auf 100 Millionen Grad oder mehr gebracht werden, um das Plasma zur thermonuklearen Zündung zu bringen. Zwar heizt beim Tokamak, wie oben beschrieben, der Plasmastrom das Plasma bereits ohne äußere Energiezufuhr auf, das genügt jedoch nicht zum Erreichen der Zündtemperatur, da dieser Heizmechanismus mit zunehmender Temperatur immer mehr an Wirkung verliert.

 

Hochfrequenzwellen und Neutralteilchen

 

Zwei Methoden haben sich bewährt, um dem Plasma die nötige Wärme zuzuführen.

 

Die eine Methode besteht darin, elektromagnetische Hochfrequenzwellen in das Plasma einzustrahlen. Je genauer die Frequenz dieser Wellen mit der Zyklotronfrequenz der Plasmateilchen übereinstimmt, desto mehr von der Energie der Wellen wird auf die Teilchen übertragen und desto stärker heizt sich das Plasma auf. Die Zyklotronfrequenz ist allgemein diejenige Frequenz, mit der geladene Teilchen im Magnetfeld ihre Kreis- oder Schraubenbahn durchlaufen; sie hängt von der Ladung und Masse der Teilchen und von der Stärke des Magnetfelds ab. Die Zyklotronfrequenz der Deuterium- und Tritiumionen liegt für die starken Magnetfelder der Kernfusionsexperimente (einige Tesla) zwischen 10 und 100 Millionen Hertz, diejenige der leichteren Elektronen zwischen 60 und 150 Milliarden Hertz. Von diesen Frequenzen sollten demnach auch die elektromagnetischen Hochfrequenzwellen sein, die zur Plasmaheizung eingestrahlt werden.

 

Energie kann aber auch durch Stöße mit sehr schnellen Teilchen übertragen werden, die von außen in das Plasma eingeschossen werden. Die Partikel müssen elektrisch neutral sein, da geladene Teilchen das Magnetfeld nicht durchdringen können; daher die Bezeichnung Neutralteilchenheizung für diese Heizmethode. Die neutralen Teilchen dringen in das Plasma ein, geben ihre Energie durch Stöße ab, werden dabei ionisiert und verbleiben als Plasmateilchen im Reaktor. Als Material für die Neutralteilchen werden meist Atome des Fusionsbrennstoffs Deuterium genommen, da sie im Plasma keine Fremdkörper darstellen.

 

In der Regel nutzt man beide Methoden, um das Plasma aufzuheizen: die Hochfrequenzheizung durch Einstrahlung von elektromagnetischen Wellen und die Neutralteilchenheizung durch Injektion sehr schneller Atome.

 

Tokamaks können wegen des zugrunde liegenden Transformatorprinzips eigentlich nur gepulst arbeiten. Die meisten Heizmethoden können jedoch auch dazu eingesetzt werden, den Plasmastrom zusätzlich anzutreiben und dadurch doch einen kontinuierlichen Betrieb zu ermöglichen. Am Beispiel der Neutralteilchenheizung kann man sich dies vereinfacht so vorstellen: Die schnellen Ionen, die im Plasma durch Stöße aus den mit hoher Energie eingeschossenen Neutralatomen entstehen, laufen einige Tausend Mal um den Torus herum, ohne dass sie durch das Transformatorprinzip beschleunigt werden müssten, bis sie schließlich durch Stöße ihre Energie ganz an das Plasma abgegeben haben. Der zusätzliche kontinuierliche Plasmastrom, der auf diese Weise erzeugt wird, ergibt sich aus dem eingeschossenen Ionenstrom multipliziert mit der Anzahl der Umläufe jedes Ions bis zu seiner vollständigen Abbremsung. Dadurch können die schnellen Ionen ganz erheblich zum Plasmastrom beitragen.

 

Brennstoff und Asche

 

Hat man das thermonukleare Plasma zur Zündung gebracht, so werden Deuterium- und Tritiumkerne verschwinden, da sie zu einem Alphateilchen und einem Neutron verbrannt werden. Der Reaktor braucht also ständig Nachschub. Dabei ist es wichtig, dass der nachgefüllte Brennstoff auch das Innere des Plasmas erreicht; Deuterium und Tritium müssen also in Form neutraler Teilchen zugeführt werden, damit sie überhaupt das Magnetfeld durchdringen können.

 

Eine der Heizmethoden, die Neutralteilchenheizung, sorgt gleichzeitig auch für Nachfüllung, da ja mit den schnellen Deuteriumatomen ständig neuer Brennstoff ins Plasmazentrum nachgefüllt wird. Bisweilen ist es jedoch vorteilhaft, Heizung und Brennstoffzufuhr voneinander trennen zu können. Hierzu dient entweder ein Gaseinlass vom Plasmarand, mit dem Nachteil, dass die Nachfüllung nicht genau im Zentrum stattfindet. Besser ist der Einschuss von wenige Millimeter großen gefrorenen Brennstoffkügelchen, ähnlich den Pellets der Trägheitsfusion. Diese Pellets werden mit Gaskanonen oder Zentrifugen auf Geschwindigkeiten von etwa einem Kilometer pro Sekunde beschleunigt und in das Plasma eingeschossen, wo sie aufgrund der hohen Temperatur schnell zu Gas verdampfen und ionisiert werden.

 

Wo Brennstoff verbrannt wird, entsteht auch Asche. Die »Asche« bei der D-T-Fusion sind die Fusionsprodukte: das Neutron mit 14 MeV und das Alphateilchen mit 3,5 MeV. Die Neutronen verlassen das Plasma ohne nennenswerte Wechselwirkung und werden erst tief im Innern der Wand, die das Plasma umgibt, dem »Blanket«, abgebremst. Die Alphateilchen jedoch geben ihre Energie durch Stöße an das Plasma ab und verbleiben als Verunreinigungsionen. Sie würden das Fusionsbrennen letztlich ersticken, wenn sie nicht so wie die übrigen Plasmaionen dem anomalen Transport zum Rand unterworfen wären und auf diese Weise aus dem Plasma verschwinden würden. Dieses Problem wird daher heute als weitgehend gelöst angesehen.

 

 Der Stand der Dinge

 

Auch nach mehr als vierzig Jahren Fusionsforschung ist der praxistaugliche Kernfusionsreaktor entgegen den optimistischen Prognosen früherer Jahre noch in weiter Ferne. Die Zündbedingung konnte bisher bei noch keinem der Forschungsreaktoren erfüllt werden. Darüber sollte jedoch nicht übersehen werden, dass mit toroidal magnetisch eingeschlossenen Plasmen seit Mitte der 1970er-Jahre beträchtliche Teilerfolge erzielt wurden. Zu einem wesentlichen Teil geht dies auf die Anwendung wirkungsvoller Heizmethoden, hauptsächlich der Neutralteilchenheizung, zurück, mit der die Plasmaparameter immer weiter in die Nähe der thermonuklearen Zündung getrieben wurden.

 

Um Aufwand und Risiko zu teilen, wurde die Fusionsforschung in internationalen Programmen organisiert. Die deutsche Fusionsforschung ist Teil des von EURATOM koordinierten europäischen Fusionsprogramms, in dem die Fusionszentren der Europäischen Gemeinschaft und der Schweiz zusammengefasst sind. Neben dem europäischen Fusionsprogramm gibt es weltweit drei weitere eigenständige Programme größeren Umfangs: in Japan, in Russland und in den USA. Darüber hinaus läuft seit 1988 ein internationales Planungsprojekt unter dem Namen ITER (Internationaler Thermonuklearer Experimentalreaktor).

 

JET, TFTR und JT-60U

 

Bis heute nehmen die Tokamaks wegen ihres vergleichsweise einfacheren Aufbaus bei der schrittweisen Annäherung an den funktionstüchtigen Reaktor eine führende Position ein. Mit drei großen Tokamaks, dem europäischen JET (Joint European Torus) bei Oxford in Großbritannien, dem TFTR (Toroidal Fusion Test Reactor bis 1997) in Princeton in den USA und dem JT-60U (JAERI Tokamak, Japanese Atomic Energy Research Institute) bei Naka/Tokio in Japan ist die Forschung ein gutes Stück vorangekommen.

 

Dank der Fortschritte durch eine leistungsstarke Neutralteilchenheizung konnte in den letzten Jahren die theoretische Zündtemperatur von 54 Millionen Grad nicht nur erreicht, sondern um fast einen Faktor 10 überschritten werden. So wurde beispielsweise am TFTR mit einer Heizleistung von fast 40 Megawatt eine Ionentemperatur von 510 Millionen Grad erreicht. Während bis Ende der 1980er-Jahre nur mit den leichten Wasserstoffisotopen H und D experimentiert wurde, begann man 1991 in JET und 1993 in TFTR auch mit D-T-Gemischen zu arbeiten. Bei Experimenten im JET-Reaktor 1998 wurden Fusionsleistungen von über 12 Megawatt erzeugt, und das Fusionstripelprodukt war nur noch um einen Faktor sechs vom Zündkriterium entfernt. In diesen heißen Plasmen liefen bereits genügend viele Fusionsreaktionen ab, um untersuchen zu können, wie die innere Aufheizung des Plasmas durch die Alphateilchen funktioniert, die bei der Fusion entstehen, und wie sich die anderen hochenergetischen Reaktionsprodukte im Plasma verhalten. Dabei stellte man weitgehende Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen fest, ein wichtiger Befund insofern, als befürchtet worden war, die Alphateilchen könnten das Plasma erheblich destabilisieren.

 

Das Problem der zu kurzen Einschlusszeit

 

Zwei der physikalischen Schlüsselparameter auf dem Wege zum gezündeten Plasma, die Plasmadichte und die Plasmatemperatur, wurden in den oben beschriebenen Experimenten längst erreicht. Weitaus größere Schwierigkeiten bereitet der dritte Parameter, die Energieeinschlusszeit. Die derzeitigen Experimente sind noch zu klein, um in den Bereich der geforderten ein bis zwei Sekunden vorzustoßen. Man weiß zwar, dass beispielsweise im Tokamak die Einschlusszeit mit der Stärke des Plasmastroms steigt. Dieser Stromstärke sind jedoch bei gegebener Reaktorgröße und bei gegebenem Magnetfeld Grenzen gesetzt, oberhalb derer heftige Instabilitäten auftreten, die unter Umständen das Experiment beschädigen könnten. Die gegenwärtig in stabiler Betriebsweise erreichbaren Einschlusszeiten, Temperaturen und Dichten lassen aber erwarten, dass das nächste Projekt, ITER, die thermonukleare Zündung erreichen wird.

 

ASDEX Upgrade

 

Auch beim Problem der Wechselwirkung des Plasmarandes mit den Gefäßwänden und der Verunreinigungskontrolle sind große Fortschritte erzielt worden. Leistungsfähige Divertoren sorgen durch geschickte Geometrie und Führung der Gasströme dafür, dass der gewaltige Strom an Teilchen und Energie aus dem Plasma von den Gefäßwänden weitgehend fern gehalten und auf die dafür vorgesehenen Divertorplatten gelenkt wird. Insbesondere das Tokamak-Experiment ASDEX Upgrade am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching bei München hat bei der Entwicklung der Divertorphysik und -technik maßgebliche Erfolge erzielt: Die heiße Plasmaflamme wird vor Erreichen der Divertorplatten durch zugeführtes kaltes Neutralgas abgekühlt und ihre stark konzentrierte Leistung durch Umwandlung in Strahlung auf einen großen Raumbereich verteilt. Die hierdurch stark verdünnte Leistungsdichte ist jetzt thermisch leicht zu handhaben.

 

 Der Weg zum Fusionskraftwerk

 

Auf dem Weg zum praxistauglichen Fusionskraftwerk wird noch eine ganze Reihe physikalischer und technologischer Probleme zu lösen sein. Solange die physikalischen Bedingungen der thermonuklearen Zündung nicht restlos geklärt sind, wird es nicht möglich sein, Konzept und Größe eines zukünftigen Fusionskraftwerks zu optimieren. Darüber hinaus muss der Einsatz geeigneter Materialien und Werkzeuge helfen, einen sicheren und dauerhaften Betrieb des Kraftwerks zu gewährleisten. Ganz entscheidend aber wird es sein, mithilfe eines experimentell orientierten Reaktors die prinzipielle Möglichkeit eines funktionierenden Kernfusionskraftwerks praktisch zu demonstrieren.

 

Kontinuierlicher Betrieb mittels Stellaratoren

 

Die Schwerpunkte der zukünftigen physikalischen Untersuchungen werden auf mehreren Punkten liegen: dem tieferen Verständnis und der Verbesserung des Plasmaeinschlusses, der Optimierung der Fusionsleistung in Relation zu den notwendigen Magnetfeldstärken sowie der Verringerung von Verunreinigungen im Reaktor. Ein ganz wesentlicher Punkt wird die Ausdehnung der Pulslänge des Plasmastroms hin zum stationären Betrieb sein, denn die jetzigen Plasmaentladungen in den Tokamaks sind nur Pulse von einigen Sekunden Dauer, während ein Kraftwerk möglichst im Dauerbetrieb laufen muss. Hierbei ist die Weiterentwicklung des Stellarator-Konzepts von besonderer Bedeutung. Ein mit modernsten Computermethoden berechnetes Experiment, der Stellarator Wendelstein 7-X, wird derzeit gebaut und soll in einigen Jahren im Teilinstitut des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Greifswald in Betrieb gehen. Ziel dieses Experiments ist es, ein heißes und dichtes Plasma hinreichend lange einzuschließen, um damit die prinzipielle Kraftwerkseignung des Stellaratorkonzepts zu demonstrieren. W7-X ist daher mit supraleitenden Magnetfeldspulen ausgerüstet, die einen echten Dauerbetrieb erlauben.

 

Schrittweise Annäherung an die optimale Reaktorgröße

 

Da es bisher nicht gelungen ist, den anomalen Transport von Teilchen und Energie aus dem Plasma und die damit verbundenen Verluste zu erklären, sind Vorhersagen bei der Planung neuer Experimente, was die Mindestgröße eines Reaktors anbelangt, mit großen Unsicherheiten behaftet. Wegen dieser Unsicherheit strebt die Fusionsforschung eine schrittweise Annäherung an die minimale erforderliche Reaktorgröße an. Nach dem heutigen Stand der Erkenntnis könnte ein funktionstüchtiger Tokamak-Reaktor einen kleinen Plasmadurchmesser von 3,5 Metern und einen großen Plasmadurchmesser von 14 Metern aufweisen.

 

Technologieentwicklung

 

Ein technisches Schlüsselproblem auf dem Weg zum Fusionskraftwerk ist die Entwicklung geeigneter Materialien für die Struktur der Wandung des Reaktorgefäßes, die dem Plasma unmittelbar ausgesetzt ist (erste Wand), und der dahinter liegenden Brutzone, des »Blankets«, in der das Tritium erbrütet wird.

 

Die Wartung aller Komponenten und die Stilllegung des Reaktors muss fernbedient erfolgen, da im Innern des Kraftwerks Radioaktivität entsteht, die eine direkte Berührung nicht erlaubt. Dazu werden neuartige Roboterwerkzeuge gebraucht. Hinzu kommen die Tritiumtechnologie, die Technologie der supraleitenden Magnetspulen und der Heizsysteme. Außerdem spielt die Untersuchung der Sicherheits- und Umweltfragen eine wichtige Rolle.

 

Der nächste Schritt zum Fusionskraftwerk: ITER

 

Zwischen einem praxistauglichen Fusionskraftwerk auf der einen Seite und den heutigen Experimenten wie etwa JET auf der anderen Seite klafft noch eine große Lücke. Vor dem Bau eines Demonstrationskraftwerks muss bewiesen werden, dass ein thermonuklear gezündetes Fusionsplasma über längere Zeit stabil aufrecht erhalten werden kann. Des Weiteren muss vorher gezeigt werden, dass man die Herstellung der wesentlichen Bauteile und die notwendigen Betriebstechniken beherrscht. Aus diesem Grund ist ein Zwischenschritt zwischen den jetzigen Großexperimenten und dem Kraftwerk unverzichtbar. Dieser Zwischenschritt wird das 1988 initiierte internationale Planungsprojekt mit dem Namen ITER sein, an dem sich Europa, Japan, Russland und die USA (bis 1998) beteiligen. Um allen physikalischen und technologischen Fragestellungen gerecht zu werden, muss dieser thermonukleare Experimentierreaktor deutlich größer sein als JET — schon allein der Zündung wegen; unter Umständen wird ITER sogar größer als ein späteres Kraftwerk sein, da man die Mindestgröße, die zur Erfüllung der Zündbedingung nötig ist, noch nicht genau kennt und daher die Anlage möglicherweise etwas zu groß auslegt. Nachfolgende Kraftwerke könnten dann genauer dimensioniert werden.

 

Die Planungsarbeiten zu ITER wurden 1998 erfolgreich abgeschlossen. Statt des Baubeginns beschlossen die internationalen Entscheidungsgremien jedoch, die Zielsetzung und den Aufwand für ITER noch einmal zu revidieren. Außerdem beendeten die USA ihre Mitarbeit bei ITER. Seit 1999 arbeiten daher die drei verbliebenen Partner an einem Konzept für eine etwas kleinere Maschine, die den Namen ITER RC/RTO (RC = reduced cost, RTO = reduced technical objective) trägt. Das Konzept sieht die thermonukleare Zündung nur unter sehr optimistischen Annahmen für den Plasmaeinschluss vor; die Kosten der Maschine würden aber auf etwa die Hälfte sinken.

 

 Sicherheit und Umweltaspekte

 

Die Erfahrungen mit der Energie aus der Kernspaltung haben gelehrt, dass die Forderung nach Sicherheit und Umweltverträglichkeit ein zentraler Aspekt jeder Energieversorgung sein muss. Die neue Technologie Kernfusion wird sich dieser Forderung stellen können. Eine solche positive Einschätzung ist in den letzten Jahren mit zunehmender Sicherheit möglich geworden, weil im Zusammenhang mit Genehmigungsfragen — beispielsweise für ITER — immer detailliertere Reaktorentwürfe vorgelegt wurden, die dann auch eine präzisere Beantwortung der Fragen nach Sauberkeit und Sicherheit erlauben.

 

Radioaktive Belastung bei Betrieb und Stilllegung

 

Fusionsreaktionen erzeugen kein spaltbares Material und keine langlebigen radioaktiven Abfälle — dies ist ein großer Vorteil gegenüber den Kernspaltungskraftwerken. Aber auch Fusionskraftwerke ziehen das Auftreten von Radioaktivität nach sich. Eine Quelle der Radioaktivität ist das als Brennstoff gebrauchte Tritium, das im Reaktor aus Lithium erbrütet wird. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass bei Erosionserscheinungen der Reaktorwände, wie sie in Anbetracht der hohen Belastungen unvermeidlich sind, Spuren dieses Tritiums über Umwege ins Freie gelangen. Die biologische Gefahr, die hiervon ausgeht, ist jedoch recht gering: Tritium ist ein Betastrahler, es emittiert Elektronen mit einer Energie von maximal 20 keV, die zwar die menschliche Haut nicht durchdringen, aber mit der Atemluft und der Nahrung in den Körper gelangen können. Die damit verbundenene radioaktive Belastung der Umwelt wird bei Normalbetrieb nach jetzigem Kenntnisstand nicht mehr als einige Promille der natürlichen radioaktiven Belastung betragen. Zudem beträgt die Halbwertszeit von Tritium nur 12,3 Jahre — zum Vergleich: die Halbwertszeit des in Kernspaltungsreaktoren anfallenden Plutoniums beträgt 24 000 Jahre!

 

Das zweite radiologische Gefährdungspotenzial eines Fusionskraftwerks, neben dem des Tritiums, ist mit den Strukturmaterialien verbunden, inbesondere in den Brennkammerwänden und im Brutmantel. Diese Materialien werden durch die Fusionsneutronen aktiviert. Das bedeutet, dass die ursprünglich nicht radioaktiven Ausgangsmaterialien unter dem Beschuss der Neutronen in radioaktive Materialien umgewandelt werden. Durch den Ersatz verbrauchter Komponenten und durch Stilllegung des Kraftwerks würden nach derzeitiger Kenntnis zunächst mehrere 10 000 Tonnen an radioaktiven metallischen Materialien (»Radionuklide« wie beispielsweise Cobalt-60, Nickel-63, Eisen-55 oder Mangan-54) anfallen. Nach einer Wartezeit von maximal fünfzig Jahren müssten wenige Prozent dieser Materialien als radioaktiver Abfall gelagert werden. Im Vergleich zu Spaltreaktoren (den typischen »Kernreaktoren«) sind die mittleren Halbwertszeiten der dominierenden Radionuklide zum Teil um mehrere Größenordnungen kürzer, ihre Radioaktivität klingt also sehr viel schneller ab. Derzeit wird an der Entwicklung optimierter Materialien gearbeitet mit dem Ziel, diese günstigen Aspekte weiter zu verbessern. Insgesamt ist wesentlich, dass das radiologische Gefährdungspotenzial durch die Verwendung geeigneter Baumaterialien ganz entscheidend beeinflusst werden kann. Dies ist bei Spaltreaktoren grundsätzlich anders, weil dort die entstehende Radioaktivität mit der Natur der spaltbaren Brennstoffe und der entstehenden Spaltprodukte zwingend verknüpft ist.

 

Radioaktivität bei Störfällen

 

Was die Sicherheit anbelangt, so lässt es schon allein der geringe Brennstoffvorrat von nur einem Gramm in der Plasmakammer äußerst unwahrscheinlich werden, dass es zu Störfällen kommen kann, bei denen durch Freisetzung von Radioaktivität die Umwelt belastet wird. Ganz entscheidend ist aber, dass das Plasma schon bei kleinsten Störungen erlöschen wird, also niemals unkontrolliert weiterbrennen kann. Ein »Durchgehen« des Reaktors ist also im Gegensatz zum Kernspaltungsreaktor unmöglich; eine Zerstörung der Sicherheitshülle durch innere Ursachen kann ausgeschlossen werden.

 

Der schwerste anzunehmende Unfall würde demnach von der Zerstörung der Sicherheitshülle durch Fremdeinwirkung, etwa durch ein Erdbeben oder Beschuss im Krieg, ausgehen. Bei einem solchen Unfall könnte nach derzeitigem Kenntnisstand unter ungünstigsten Wetterbedingungen — etwa wenn die Windrichtung eine Woche lang unverändert bliebe — nicht ausgeschlossen werden, dass in einem auf wenige Quadratkilometer begrenzten, in Windrichtung gelegenen Bereich die Bevölkerung wegen des frei werdenden Tritiums vorübergehend evakuiert werden müsste.

 

Derzeit ist schwer abzuschätzen, ob langfristig die Nutzung anderer Fusionsreaktionen, wie etwa diejenigen auf der Basis von Deuterium und Helium-3 oder Wasserstoff und Bor-11, gelingen wird. Da hierbei Tritium und Neutronen nur eine untergeordnete Rolle spielen würden, wäre das ohnehin niedrige radioaktive Gefährdungspotenzial der Fusionsenergie bei dieser Form noch einmal deutlich reduziert.

 

Im Vergleich zur radioaktiven Gefährdung durch Kernspaltungsreaktoren ist es jedoch ganz wesentlich, dass die Gefahr durch geeignete technische Maßnahmen im Fusionskraftwerk entscheidend beeinflusst werden kann.

 

 Kernfusion

 

Gemeinsam mit den erneuerbaren Energien ist die Fusionsenergie eine der wenigen langfristigen Optionen zur Energieversorgung der Menschheit: Anders als beim Einsatz fossiler Energieträger in Kohlekraftwerken oder angereicherten Urans in Kernkraftwerken kann man die Brennstoffvorräte für die Kernfusion als praktisch unerschöpflich bezeichnen. Nach derzeitigen Einschätzungen wird die Kernfusion allerdings nicht wesentlich vor Mitte des einundzwanzigsten Jahrhunderts zur Energieversorgung beitragen können; bis dahin sind noch große Entwicklungsschritte nötig.

 

Ein Fusionskraftwerk wird ein Energiewandler hoher Leistungsdichte sein. Es wird elektrische Leistungen bereitstellen, die etwa so groß wie die elektrischen Leistungen jetziger Kernkraftwerke sein werden; eine »Potenzierung« der Kraftwerksgröße durch die Fusionsenergie ist also nicht zu erwarten. Es ist denkbar, jetzige Kraftwerke — Kernkraftwerke oder Kraftwerke, die fossile Brennstoffe einsetzen — an ihrem jeweiligen Standort nach und nach durch Fusionskraftwerke zu ersetzen. Im Gegensatz zu einem Energieversorgungssystem, das auf erneuerbaren Energiequellen beruht, hält der Einsatz von Fusionskraftwerken die Option auf eine zentrale Energieversorgung aufrecht. Im Zuge der wachsenden Urbanisierung der Industriegesellschaften lässt sich die Versorgung mit Energie auch kaum anders vorstellen als auf zentrale Weise mit Kraftwerken einer elektrischen Leistung der Größenordnung von einem Gigawatt. Dezentrale Energieversorgung aus erneuerbaren Energiequellen kann und soll in einem solchen Energieversorgungssystem unterstützen, kann aber — nach derzeitigem Wissensstand — die Grundversorgung in Ballungsräumen nicht leisten.

 

Es gibt eine Reihe von Einwänden gegen die Fusionsenergie: Sie sei zu teuer, zu komplex, sei auch nicht »sauber« — oder sie sei überhaupt nicht realisierbar.

 

Diese Einwände sind bei genauer Betrachtung nicht stichhaltig. Die Kosten sind nach jetziger Kenntnis innerhalb eines Faktors von zwei bis drei mit Kohle oder Kernspaltung vergleichbar, und was die technologischen Schwierigkeiten anbelangt, so sind Großflugzeuge und Großrechner von ähnlicher Komplexität. Dem Argument, die Kernfusion sei nicht realisierbar, muss die Fusionsforschung durch den Bau und Betrieb eines funktionierenden Fusionsreaktors begegnen. Was die Sauberkeit der Kernfusion anbelangt, so sprechen die Fakten, besonders im Vergleich mit den fossilen Energien und der Kernspaltungsenergie, für sich: Der Brennstoffbedarf und die damit verbundenen Rohstoffflüsse des Fusionskraftwerks sind im Verhältnis zur erzeugten Leistung minimal. Auch die Stoffströme im Zusammenhang mit der Stilllegung werden gering sein, denn die Kraftwerksmaterialien lassen sich nach Abklingen der Aktivierung (typischerweise nach etwa fünfzig Jahren) wieder verwerten. Es gibt also eine Reihe von guten Gründen, die Kernfusion als eine Option für die zukünftige Energieversorgung zu betrachten, besonders für die industriellen Ballungsgebiete mit hohem Strombedarf.

 

Dr. Eckehart Speth

 

Literatur:

 

Cap, Ferdinand: Lehrbuch der Plasmaphysik und Magnetohydrodynamik. Wien u. a. 1994.

 Goldston, Robert J. / Rutherford, Paul H.: Plasmaphysik. Eine Einführung. Aus dem Englischen. Braunschweig u. a. 1998.

 Huizenga, John R.: Kalte Kernfusion. Das Wunder, das nie stattfand. Aus dem Englischen. Braunschweig u. a. 1994.

 Karamanolis, Stratis: Heißer als die Sonne. Energie aus Kernfusion? Neubiberg 1992.

 Rebhan, Eckhard: Heißer als das Sonnenfeuer. Plasmaphysik und Kernfusion. München u. a. 1992.

 Schumacher, Uwe: Fusionsforschung. Darmstadt 1993.