Kernfusion

Ein Brennen der Hoffnung

Von Ulf von Rauchhaupt
09.02.2022
, 18:20
Das Innere des Versuchsreaktors JET.
Kernfusionsforscher können einen weiteren wichtigen Fortschritt feiern – diesmal bei der Verschmelzung von Atomkernen in einem von Magnetfeldern gehaltenen Plasma.
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Kaum zwei Wochen ist es her, dass Physiker des Laurence Livermore National Laboratory in Kalifornien einen wichtigen Fortschritt auf dem Weg zur Verschmelzung von Atomkernen mittels Laserbeschuss verkündeten. Diese sogenannte Trägheitsfusion ist einer der beiden hauptsächlich verfolgten Ansätze, um die Kernverschmelzung zur Energiegewinnung nutzbar zu machen. Kernfusionsprozesse lassen die Sonne und die meisten Sterne leuchten. Ließen sie sich technisch auf der Erde beherrschen, hätten wir eine saubere, klimaneutrale und praktisch unerschöpfliche Energiequelle.

Heute Nachmittag nun hatte der andere Ansatz zur Verwirklichung dieses Ziels seine große Stunde: die Kernfusion per sogenanntem magnetischen Einschluss. Wissenschaftler des europäischen Versuchsreaktors JET (Joint European Torus) in Culham in der englischen Grafschaft Oxfordshire stellten Resultate aus im vergangenen Jahr angestellten Experimenten vor, auf die sie mehr als ein Jahrzehnt hingearbeitet hatten. In ihrem Reaktor war es gelungen, eine selbsterhaltende Fusionsreaktion zu zünden, die rund fünf Sekunden lang insgesamt 59 Megajoule an Energie produzierte. Damit brach JET seinen eigenen Rekord aus dem Jahr 1997, als in fünf Sekunden 22 Megajoule Fusionsenergie frei wurden.

Die Fusionsleistung des neuen Versuchs von 2021 am JET
Die Fusionsleistung des neuen Versuchs am JET von 2021 (rot) verglichen mit einem Resultat aus dem Jahr 1997 (schwarz) Bild: Eurofusion consortium

Nun sind 59 Megajoule der Energieinhalt von etwa 1,7 Litern Benzin. Doch sie wurden durch Verschmelzungsreaktionen in einer eingesetzten Brennstoffmenge von lediglich 200 Mikrogramm eines Gemisches der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium freigesetzt – auch schwerer respektive überschwerer Wasserstoff genannt. Auf die Brennstoffmenge bezogen ist die Verschmelzung von Deuterium und Tritium zu Helium laut Angaben des Eurofusion-Konsortiums, das JETs wissenschaftliches Programm koordiniert, mehr als sechs Millionen mal ergiebiger als die Verbrennung von Erdgas und mehr als vier mal ergiebiger als die Kernspaltung angereicherten Urans.

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Und doch ist auch dieser neue Erfolg der Fusionsforschung noch ein ganzes Stück von etwas entfernt, mit dem sich ein wirtschaftliches Kraftwerk betreiben ließe. Denn die 59 Megajoule binnen fünf Sekunden – also eine erzeugte Leistung von grob 10 Megawatt – kamen nur heraus, weil die Wasserstoffisotope als ein mehr als hundert Millionen Grad heißes Plasma vorlagen – die Temperatur im Kern der Sonne bringt es gerade mal auf 15,6 Millionen Grad. Um den Brennstoff derart aufzuheizen, waren 33 Megawatt an Heizleistung erforderlich. Das Verhältnis aus erzeugter und hineingesteckter Energie, der sogenannte Q-Plasma-Wert, lag also etwas über 0,3 und damit kleiner als Eins.

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Die Sache mit dem Q-Wert

Um zu beurteilen, wie nah ein Fusionsexperiment einem Kraftwerk ist, muss die erzeugte Energie allerdings zur gesamten aufgewendeten Energie ins Verhältnis gesetzt werden. Da ist dann nicht nur die Heizenergie zu berücksichtigen, sondern auch der Betrieb der gewaltigen Magnetspulen, deren Felder das Plasma von den Innenwänden des Reaktorgefäßes fernhalten – bis hin zum Energieaufwand für die Abtrennung des schweren Wassers aus normalem Wasser. Dieses Verhältnis, der eigentliche Q-Wert, ist bei wissenschaftlichen Fusionsexperimenten nicht immer sinnvoll abzuschätzen, er liegt aber noch um mindestens eine Größenordnung unter dem Q-Plasma-Wert. Nach Angaben des Eurofusion-Konsortiums ist mit einem „break even“, also einem Fusionsreaktor, der wirklich mehr Energie erzeugt als in ihn hineingesteckt werden muss, erst ab einem Q-Plasma-Wert von 10 zu rechnen – ein Faktor 30 über dem, was aktuell erreicht wurde.

Hinzu kommt, dass JET sein Plasma tatsächlich nur diese fünf Sekunden lang brennen lassen kann, bevor die gewaltigen kupfernen Magnetspulen überhitzen. Doch mehr sollte die 1984 eingeweihte Anlage auch nie leisten. Der nächste Schritt nach dem europäischen JET ist der multinationale Fusionsreaktor ITER, an dem unter anderem auch die USA, China und Russland beteiligt sind und der derzeit nahe Cadarache in Südfrankreich im Bau ist. 2025 soll er fertig werden und zehn Jahre später die ersten Deuterium-Tritium-Reaktionen zünden. ITER ist nicht nur bedeutend größer als JET sondern verfügt auch über mit flüssigem Helium gekühlte supraleitende Magnetspulen. Mit ihm soll ein Q-Plasma-Wert von 10 und damit der „break even“ erreicht werden.

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Know-how ist auch das Wissen, was nicht funktioniert

Das aktuelle Ergebnis des JET ist aber für dieses Ziel von einiger Bedeutung, wie Ian Chapman von der britischen Atomenergiebehörde und Tim Luce, der Chefwissenschaftler des ITER-Projekts, bei der Vorstellung der JET-Resultate unisono betonten. Denn zum einen wird im JET bereits mit Deuterium und Tritium gearbeitet – es ist das einzige Fusionsexperiment mit magnetischem Einschluss weltweit, das dazu in der Lage ist, da Tritium ein kurzlebiges, wenn auch nur ein sehr milde strahlendes Radioisotop ist. Daher bedarf es besonderer Vorkehrungen und Techniken, mit diesem Brennstoff umzugehen. Nur im JET lässt sich daher derzeit das Verhalten eines Plasmas aus echtem Fusionsbrennstoff studieren.

Dabei hat sich unter anderem gezeigt, dass Tritium sich in unerwünschtem Umfang an Kohlenstoff anlagert, der jahrzehntelang als das Material der Wahl galt, um damit die Fusionsreaktorgefäße auszukleiden. „Zu Know-how gehört auch, zu wissen, was nicht funktioniert“, sagt Ian Chapman. So wurde dank dieser Erkenntnis am JET beschlossen, die Wände des ITER statt mit Kohlenstoff mit Beryllium auszukleiden – und einen speziellen Abschnitt am „Fußboden“ des Reaktors mit Wolfram. Seit 2011 ist auch der JET mit diesen Materialien versehen, so dass die aktuellen Ergebnisse auf die Verhältnisse am ITER übertragbar sind. Und in der Tat, die Versuchte zeigten drastisch geringere Tritiumablagerungen an den Reaktorwänden. Allerdings verschlechterte der „Tapetenwechsel“ nun andere Parameter – diese Probleme konnten aber gelöst werden, wie die Wissenschaftlerinnen während der detaillierten Vorstellung der Resultate betonten.

Solche Resultate machen die Forschergemeinschaft nun zuversichtlich, mit ITER das große Ziel auch tatsächlich erreichen zu können, und sie sind daher wichtiger als der bloße numerische Sprung von 22 auf 59 Megajoule. Dieser Wert ist für die Fusionsforscher vor allem deswegen schön, weil sie ihn erwartet hatten. „Das Ergebnis ist keine Überraschung“, sagt Tim Luce. „Es ist eine Vorhersage. Das bedeutet, Kernfusion mit magnetischem Einschluss ist vorhersagbar geworden“.

Das war in dieser Forschungsdisziplin tatsächlich nicht immer so gewesen und ein wichtiger Grund dafür, warum die Naherwartung der energiehungrigen Öffentlichkeit von der Plasmaphysik immer und immer wieder enttäuscht wurde. Die Zunft kämpft seit Jahrzehnten mit der Komplexität magnetisch eingeschlossener Plasmen und ihren Neigungen zu immer neuen Formen von Instabilitäten und anderen Phänomenen, die unversehens auftauchten. Während es bei der Kernspaltung nach der Entdeckung des Effektes 1938 durch Otto Hahn und Lise Meitner nur wenige Jahre dauerte, bis man in Amerika den ersten Kernreaktor kritisch bekam, wird an der Kernfusion bereits seit 1951 geforscht, und seit mindestens 1980 müssen sich die Plasmaphysiker den Witz mit der „Fusionskonstante“ anhören: Bis zu einem laufenden Fusionskraftwerk dauere es noch etwa 30 Jahre, hieß es damals und heißt es noch heute. Tatsächlich, das erste Versuchskraftwerk, ein Projekt namens DEMO, das dem ITER nachfolgen soll, wird nach aktueller Schätzung anno 2055 die ersten Fusionsreaktionen zünden.

Hinweis: In einer früheren Version dieses Artikels war der durch Kernspaltung Energieinhalt angereicherten Urans falsch angegeben. Danke an den aufmerksamen Leser, dem dies aufgefallen ist.

Quelle: faz.net
Autorenporträt / Rauchhaupt, Ulf von (UvR)
Ulf von Rauchhaupt
Redakteur im Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.
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