Forschung nach neuen Energieformen: Atomfusion gegen Atomfusion

In der Kernfusion ist ein Wettlauf entbrannt. Zwei Modelle konkurrieren um finanzielle Mittel. Eines der Modelle wird in Deutschland erprobt.

Kein Chaos, sondern eine mögliche Energieform von morgen: Atomfusionsanlage in Greifswald. Bild: dpa

Beim Anblick der noch nicht vollständig zusammengefügten Bauteile für "Wendelstein 7-X" wird deutlich, was ein Plasmaphysiker aus Greifswald unbedingt benötigt: Vorstellungskraft. Die unzähligen Komponenten vermitteln den Eindruck, als hätte ein durchgedrehter Professor eine möglichst umständlich anmutende Maschine zusammenschrauben lassen. Tatsächlich aber ist jede Komponente genau an die dafür vorgesehene Stelle platziert worden.

Rund 100 Wissenschaftler arbeiten seit 1996 in Greifswald am Projekt "Wendelstein 7-X". Der komplizierte Reaktor für Kernfusion vom Typ Stellarator wird lediglich an vier weiteren Orten der Welt erforscht. Mithilfe dieser Technik soll einmal der weltweite Energiebedarf für die nächsten Jahrtausende gedeckt werden, so die Hoffnung.

Genau die gleichen Aussichten versprechen die Forscher des in Cadarache, Südfrankreich, durchgeführten Projekts "Iter". Dort wird ein Fusionsreaktor vom Typ Tokamak gebaut. Beide Typen, Stellarator und Tokamak, konkurrieren derzeit um Ansehen und Fördergelder.

Der Bau des Tokamaks, der erstmals von sowjetischen Physikern entworfen wurde, ist sehr viel leichter zu organisieren als die des Stellarators. Die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler ist aus diesem Grund zuerst auf die Erforschung der einfachen Methode gefallen. Zwar ist der Tokamak deshalb bereits besser erforscht, jedoch wurden auch erhebliche Nachteile dieser Variante ersichtlich, die das Projekt zum Scheitern bringen könnten.

Zum einen kann der Tokamak lediglich im gepulsten Modus betrieben werden und damit nicht durchgehend arbeiten. Zum anderen ist es schwierig, die supraleitenden Spulen dauerhaft zu kühlen. Außerdem fiel der Materialverschleiß bei weitem höher aus als erwartet. Auch ist noch nicht klar, wie der Brennkammer die benötigten Rohstoffe während des Betriebs zugeführt werden sollen.

Organisiert und finanziert wird Iter von sechs Industriestaaten und der Europäischen Union. Er soll den 1983 fertig gestellten Tokamak "JET" aus Großbritannien ablösen. Die Anlage des Iter ist etwa doppelt so groß wie das Vorgängermodell, mit dem bereits mehrfach Kernfusionen erreicht wurden.

Der Stellarator behebt viele Probleme des Tokamaks. Beispielsweise kann er durchgängig betrieben werden. Dafür ist er aber lediglich unter enormem Aufwand zu realisieren. Ein Versuch, dieses Model mit Zeichenbrettern zu entwerfen, wurde gar nicht erst unternommen. Die Theorie galt lange Zeit als nicht umsetzbar. Erst durch die Hilfe präziser Computerprogramme ist der Bau dieses Reaktors möglich geworden.

Neben Deutschland forschen lediglich die Ukraine, Japan und die USA mit diesem Modell. Ähnlich wie beim Iter ist das Greifswalder Projekt so vielversprechend wie auch umstritten. Bis zur Fertigstellung werden sich die Aufbaukosten von "Wendelstein 7-X" auf etwa 800 Millionen Euro verdoppelt haben. Als Grund dafür werden unter anderem zu spät gelieferte Bauteile angeführt.

Das sehr viel teurere Konkurrenzprojekt aus Frankreich hat noch größere Finanzprobleme, es musste seinen Etat von 10 auf 14 Milliarden Euro erhöhen. Hier jedoch sprechen die Verantwortlichen selbstkritisch davon, den Reaktor in seiner Komplexität unterschätzt zu haben.

Als Folge dieses Finanzproblems hat die Europäische Union eine Expertengruppe eingerichtet, die das Problem dokumentiert und Methoden zur besseren Kostenberechnung von Großvorhaben entwickelt. Für "Wendelstein 7-X" trägt die EU ein Drittel der Kosten, der Bund 60 und das Land Mecklenburg Vorpommern 7 Prozent. In Greifswald sind seit Baubeginn etwa 500 direkte Arbeitsplätze entstanden.

Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) will den Kernfusionsreaktor in Greifswald 2014 mit neunjähriger Verspätung fertiggestellt haben. Danach könnten die ersten Experimente beginnen. Strom wird "Wendelstein 7-X" jedoch nicht produzieren, im Gegenteil, der Reaktor hat eine negative Energiebilanz. Er wird also mehr Energie benötigen als produzieren. Das Vorhaben ist ein reines Forschungsprojekt und soll lediglich beweisen, dass es möglich ist, auch mit diesem Prinzip Strom zu erzeugen.

Der Reaktor ist dreieinhalb Meter hoch und hat einen Außendurchmesser von etwa elf Metern. Um eine positive Energiebilanz zu erreichen, müsste ein Stellarator dieser Bauart jedoch etwa fünf- bis zehnmal so groß sein. Erst bei dieser Größe kann sich die Kernfusion ohne externe Energiezufuhr aufrechterhalten und mehr Energie abgeben als aufnehmen.

Der Wirkungsgrad eines solchen Kernfusionsreaktors wird auf 30 bis 35 Prozent geschätzt. Das entspricht etwa den Werten eines Kernspaltungskraftwerks.

Dagegen soll der französische Tokamak bereits mehr Energie freisetzen als benötigen. Eine wirtschaftliche Nutzung ist dort allerdings ebenfalls nicht vorgesehen. Das Team aus Frankreich muss zuerst die Probleme lösen, die beim Tokamak ersichtlich geworden sind.

Es ist also ein Wettkampf um die Zeit. Letztendlich stehen sich das Prinzip "einfach, aber makelhaft" und "makelfrei, aber schwer umsetzbar" gegenüber. Beide Konkurrenten kämpfen mit ihren Vorteilen gegen die Nachteile der anderen Variante.

Sollten die Forscher des Stellarators oder des Tokamaks einen Durchbruch vermelden, ein funktionierendes Kraftwerk erstellt zu haben, bleibt fraglich, inwieweit die andere Methode weiter erforscht werden wird. Vermutlich konzentriert sich dann das gesamte Interesse auf die Verbesserung der erfolgreichen Methode.

Beide Reaktoren sollen nach der gleichen physikalischen Vorstellung funktionieren. Das Prinzip der künstlich erzeugten Kernfusion kommt den Abläufen in einem Stern sehr nahe. Ähnlich wie bei der Sonne verschmelzen leichte Atomkerne miteinander, weil sie sich mit hoher Geschwindigkeit aufeinander zubewegen. Sie können so ihre gegenseitig abstoßenden Kräfte überwinden und sich zu einer neuen Atomkonstellation vereinen. Dabei wird enorm viel Energie freigesetzt.

Rohmaterialien sind vergleichsweise leicht zu beschaffen und massig verfügbar. Für die künstliche Fusion von Atomkernen werden Deuterium und Lithium verwendet. Deuterium ist zu 0,02 Prozent in natürlichem Wasser enthalten, die Herstellung ist unproblematisch. Lithium, woraus Tritium gewonnen wird, ist in sehr viel größeren Mengen vorhanden als Uran. Der Transport ist ungefährlich. Während der Verschmelzung der Isotope bei 100 Millionen Grad entstehen ein Neutron und ein Heliumkern.

Doch auch bei der Kernfusion wird radioaktiver Abfall produziert. Die Radioaktivität ist zwar bei weitem nicht so stark wie bei der Kernspaltung, jedoch müssten die Endprodukte und auch der Reaktor einige Jahrzehnte sicher gelagert werden. Die radioaktive Kontaminierung der Reaktorbauteile resultiert aus den freigesetzten Neutronen.

Die Fusionsexperten gehen davon aus, dass die von Neutronen aktivierten Bauteile etwa 100 Jahre benötigen, bis sie für den Menschen wieder ungefährlich sind. Tritium hat eine Halbwertszeit von 12,3 Jahren und müsste nur einige Jahrzehnte abklingen. Im Vergleich dazu: Uran238 hat eine Halbwertzeit von rund 4,4 Milliarden Jahre.

Bis die Kernfusion wirtschaftlich nutzbar sein kann, sollten noch einige Jahrzehnte vergehen. Nun ist nicht abzusehen, inwieweit erneuerbare Energien bis zu diesem unbestimmten Zeitpunkt weiterentwickelt und angewendet werden. Es bleibt also ein Restrisiko für die Investition in die Kernfusionsforschung. Wann immer die Technik Energie produzieren wird, es könnte sein, dass sie dann bereits überflüssig ist.

An dieses Szenario glauben die Wissenschaftler aus Greifswald und Cadarache jedoch nicht. Der stetig wachsende Energiehunger in Afrika und Asien könne ihrer Meinung nach auch nicht in mehreren Jahrzehnten durch erneuerbare Energiequellen gestillt werden.

Als Wissenschaftler 1970 gefragt wurden, in welcher Zeit das erste Kernfusionskraftwerk ans Stromnetz angeschlossen wird, antworteten sie: "In 40 bis 50 Jahren." Heute, nach über 40 Jahren, hat sich an der Antwort nichts geändert. Wird den Forschern aus Greifswald und Cadarache heute dieselbe Frage gestellt, verweisen sie ebenfalls auf eine Entwicklungszeit von 40 bis 50 Jahren.

Wenn man sie jedoch auf dieses Phänomen aufmerksam macht, antworten sie mit einem Lächeln: "Na gut, dann sagen wir 30 Jahre."

Comments

[Fred Feuerstein]

Es gibt noch viel weitergehende Probleme. Die Kernfusion verbraucht nicht Deuterium und Lithium, sondern Deuterium und Tritium. Tritium aber kommt aber in der Natur nicht vor und muss erst einmal gewonnen werden. Mit Schwerwasser-Uranreaktoren.

Und die Mengen an Tritium, die man bräuchte um ein Fusionskraftwerk, das Energie produziert, in Gang zu setzen, wären so groß dass, man Jahrzehnte bräuchte um sie auf diesem Weg zu produzieren.

Später, so ist beabsichtigt, sollen die Fusionsreaktoren ihren Tritium-Brennstoff selber produzieren, in einer Art Brutvorgang aus Lithium. Aber ob das überhaupt effizient genug möglich ist, ist mehr als fraglich und konnte bisher experimentell nicht gezeigt werden.

Siehe:

http://europe.theoildrum.com/node/5929 (Englisch)

http://www.heise.de/newsticker/foren/S-Es-gibt-sehr-ernste-Einwaende-von-Physikern-gegen-die-Machbarkeit-der-Fusion/forum-190910/msg-19582387/read/

[Sissy Fuß]

Peter M., Sie irren sich. Was in einem Fusionsreaktor für Isotope entstehen, weiß man auch heute schon. Selbst wenn es noch keine Versuchsreaktoren gegeben hätte (hat es aber), wüßte man es. Das ist physikalisches Grundwissen, das man in den Übersichtstafeln der Kernreaktionen nachschlagen kann.

Die Frage, ob die aufwendige Erforschung der Kernfusion zum gegenwärtigen Zeitpunkt sinnvoll ist, muß man trotzdem stellen. Ich habe da meine Zweifel; auch hier im Forum ist schon einiges dazu gesagt worden. Um Sicherheits- und Entsorgungsprobleme geht es dabei ausnahmsweise mal nicht, auch nicht um militärische Anwendungen, weil es sie nicht gibt – zumindest bei den hier vorgestellten Ansätzen der Fusionstechnologie. Es gibt aber noch einen weiteren Ansatz, der gegenwärtig nur in den USA und Frankreich erforscht wird: Das lasergestützte Impuls-Fusionskraftwerk. Das würde größere Mengen von radioaktiven Abfällen produzieren und sich aufgrund seiner (angestrebten) geringeren Größe auch für militärische Anwendungen wie z.B. Hochleistungslaser anbieten. Kritiker meinen sogar, es sei ein zivil getarntes Forschungsprogramm zur Untersuchung von Wasserstoffbomben-Explosionen; die eventuelle Nutzung als Kraftwerk sei nur vorgeschoben.

[Atomi]

Mag sein, dass diese Technik in 20 Jahren nicht mehr so gefragt sein wird, wenn solar/wind usw noch weitere große Schritte machen werden.

Allerdings gibt es ja nicht nur die stationäre Versorgung von Städten usw, sondern auch evtl Anwendungen auf zb Raumstationen, großen Schiffen usw. Evtl wäre so ein Reaktor auch für eine Reise zum Mars geeignet. Aufjedenfall aber sollte man diese Technik zu ende erforschen, auch wenn man sie jetzt nicht unbedingt braucht, aber wissen ist wissen.

[Lukas R.]

Ach Leute, diese "50 Jahre" Aussagen o.ä., die nicht kürzer werden, gibt es doch in allen Bereichen, in welchen eben nicht genügend Geld in Forschung fließt...

Gerade bei ITER wird in Deutschland wg. jeder Million so getan als wäre das Projekt direkt zum Scheitern verurteilt aber andere Sinnlosprojekte wie S21 werden mit Argumenten und mithilfe der Polizei durchgeboxt (im wahrsten Sinne des Wortes), die mit Deutschland als Nation der Forschung, Technik, Innovation etc. zu tun haben...

Die Mitarbeiterin eines großen Elektrotechnik-Konzerns hat einmal gesagt, dass sie vor etwa 5 Jahren von Netzbetreibern nach einem gewissen Leistungsschalter für HGÜ gefragt worden sind und man habe den Netzbetreibern gesagt, deren Entwicklung würde etwa 5 Jahre dauern und X Millionen kosten.

Nun, 5 Jahre später seien sie wieder gefragt worden und man habe das Gleiche geantwortet. Daraufhin hätten die Netzbetreiber gesagt: Ja aber vor 5 Jahren klang das doch genauso.

Man habe ihnen dann entgegnet: Da niemand bereit war so lange zu warten und in dessen Forschung & Entwicklung zu investieren, wurde diese auch nicht angegangen...

Thja, Liebe Politiker (Frau Merkel, Herr Westerwelle etc.), investiert lieber einmal Geld in Forschung, von der ihr ja immer so viel sprecht, anstatt in Sinnlosprojekte, die nur irgendwelchen Konzernen und Großunternehmen etwas bringen. Aber anscheinend wollt ihr lieber noch ein paar Jährchen die AKWe laufen lassen. Das bringt mehr Geld und kostet (Euch) nichts oder nur Eure Seele, also doch nichts...

[vic]

Ich habe den Eindruck, es wird wirklich nichts unversucht gelassen, um die Versorgung mit regenerativer Energie zu verhindern.

Schade um jeden Cent, der für diesen Mist verprasst wird.

[Peter M.]

Keineswegs ist der durch Kernfusion resultierende Müll gering von Halbwertszeit oder Strahlung!

Durch den erheblichen Neutronenbeschuss wird jedes Material schnell marode und zum Abfall selbst - was dort für Isotope entstehen und wie lange diese strahlen; das weiß man erst wenn man den Salat hat.

Für das Geld, was in der Vergangenheit und in der Zukunft in die Kernfusion gesteckt wurde und wird, hätte Deutschland 100% regenerative Energien ehe jemand "Rendite" sagen könnte!

[Wolfgang Siebert]

Gigantomanische Energieversorgung fördert Monopole

Falls Fusionsreaktoren jemals gebaut werden können, werden die Investitionen Unsummen verschlingen, die ein Konzern kaum wird alleine stemmen können. Die Folgen kennen wir: Staaten legen sich auf mehr als ein halbes Jahrhundert fest... - Oder besser gesagt: 'Gut bezahlte' Politiker legen ganze Gesellschaften auf unabsehbare Zeiträume im Namen des Fortschritts und der Energieversorgung fest. Mindestens der Verbraucher zahlt Rechnungen, auf deren Höhe er kaum Einfluss hat...

Die Alternative liegt nahe: Rein rechnerisch könnte ich mit meiner Photovoltaikanlage schon jetzt die elektrische Energie für meinen Nachbarn mitliefern, ohne dass beide Familien besonders sparsam sein müssten -- wenn man die Energie speichern könnte.

Dies, die Speicherung von Energie, wäre das Feld, auf das sich die Forschung heute mit allen Mitteln konzentrieren müsste. Doch kaum ein Aktionär würde daran verdienen.

Zum Schluss noch eine kleine, in diesem Zusammenhang aber gar nicht so unwahrscheinliche 'Verschwörungstheorie': Dient die jüngst beschlossene Laufzeitverlängerung nicht allein dazu, DEN KONZERNEN eine Brückentechnologie zu sein, bis man dort die Kernfusion in Angriff nehmen kann? - Kann mir kaum vorstellen, dass man in den Chefetagen noch nicht darauf gekommen ist, denn wenn sich alle elektrisch selbst (oder aus kleinen ortsnahen regenerativen Einheiten) versorgen würden, gäb' es für RWE & Co 'ne Flaute, d.h. nicht mehr viel zu verdienen. - Ist doch logisch - oder?

[germanist]

"Die unzähligen Komponenten vermitteln den Eindruck, als hätte ein durchgedrehter Professor eine möglichst umständlich anmutende Maschine zusammenschrauben lassen. Tatsächlich aber ist jede Komponente genau an die dafür vorgesehene Stelle platziert worden."

Oh Mann! Man muss kein Techniker sein, um dieses blöde, beinahe kindlich staunende, Geschreibsel als völlig deplaziert zu empfinden...

[lemleser]

Hallo,

ein interessanter Artikel, danke dafür.

Eine Frage: darf man gegen die kommerzielle Nutzung von Kernspaltung, sowie die dilletantische Lagerung des Abfalls eintreten und gleichzeitig die wissenschaftlichen Forschungsarbeiten an Fusionsprojekten als richtig und wichtig ansehen?

So sehr ich regenerative Energien unterstütze, um mal ein Stück weiter über den irdischen Tellerrand hinaus zu schauen, brauchen wir m.W. nach derartige Energieerzeugungsformen, oder?

Physikalische Vorgänge gut zu kennen kann auch prinzipiell kein Fehler sein, etwas anderes ist es was man daraus macht.

Um es Platt zu sagen, lieber mal alle gemeinsam in ein gerechtes Loch in Cern hineinreisen, als weitere 1000 Jahre diese langweilige König, Fürst, Ritter, Bauern- Nummer.

Schönen tag noch.