Energie durch Kernfusion: Für immer ein Traum?
Der Bau des Fusionsreaktors ITER kommt voran. Doch selbst die Befürworter der Technik räumen ein, dass es noch viele ungelöste Probleme gibt.
Es waren große Worte, mit denen Frankreichs Präsident Ende Juli den Fusionsreaktor ITER feierte: Ein „Versprechen von Fortschritt und von Vertrauen in die Wissenschaft“ sei das Milliardenprojekt, dessen Zusammenbau an jenem Tag offiziell begonnen hat.
Und natürlich wiederholte Emmanuel Macron die Verheißungen, die die Fusion der Menschheit bringen soll: Die Energieerzeugung, bei der nach dem Vorbild der Sonne Atome miteinander verschmolzen werden, werde „die Bedürfnisse der Bevölkerungen in allen Teilen der Welt erfüllen, den Herausforderungen des Klimawandels begegnen und die natürlichen Ressourcen schützen“, versprach er.
Tatsächlich sind bei dem umstrittenen Fusionsreaktor nach langen Verzögerungen derzeit einige Fortschritte zu sehen. Während von der ersten Idee im Jahr 1985 bis zum offiziellen Baubeginn über zwanzig Jahre vergingen und in den ersten Jahren auf der Baustelle wenig passierte, ist derzeit viel los im südfranzösischen Cadarache: Aus aller Welt sind gewaltige Bauteile für den künftigen Reaktor eingetroffen, nun werden sie von einem internationalen Team mit riesigen Kränen zusammengesetzt.
Die erste Fusion in 16 Jahren
Auch die Bundesregierung steht hinter der Technologie. Für Thomas Bareiß, CDU-Staatssekretär im Bundeswirtschaftsministerium, ist Fusion gar „die beste Technologie“ für „eine saubere, sichere, bezahlbare Energieversorgung“.
Die Betreiber des Forschungsreaktors verbreiten großen Optimismus: Schon in fünf Jahren soll in ITER erstmals Plasma erzeugt werden. So heißt der vierte Zustand neben fest, flüssig und gasförmig, in dem sich bei gewaltigen Temperaturen von 150 Millionen Grad die Atomstruktur auflöst: Atomkerne und Elektronen werden voneinander getrennt. Weitere zehn Jahre später sollen dann erste Fusionsexperimente stattfinden.
Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg. So weit, dass viele ExpertInnen bezweifeln, dass jemals in größerem Stil Strom mithilfe von Fusion erzeugt wird. „Alles, was bisher passiert ist, zeigt, dass kommerzielle Energieproduktion aus Fusion niemals Realität wird“, meint etwa Michael Dittmar von der ETH Zürich. „Es wird Zeit, dass die Fusionsforscher das endlich zugeben.“ Der Teilchenphysiker hat für die Bundestagsfraktion der Grünen die zahlreichen ungelösten Probleme bei der Fusion zusammengestellt.
Nun ist es nicht überraschend, dass die Grünen, die die Fusionsversuche schon lange kritisch sehen, einen Gutachter gefunden haben, der ihre Vorbehalte teilt. Erstaunlich ist aber, dass auch Wissenschaftler, die eigentlich hinter ITER stehen, die zentralen Aussagen seiner Analyse bestätigen.
Bisher hat sich die Kritik an ITER in Deutschland meist darauf konzentriert, dass das Projekt immer teurer wird und immer länger dauert: Statt im Jahr 2000, wie bei den ersten Planungen gehofft, oder 2019, wie beim Baubeginn 2007 angekündigt, ist die Fertigstellung von ITER derzeit für das Jahr 2025 vorgesehen, wobei weitere Verzögerungen als wahrscheinlich gelten; die erste Fusion wird frühestens 2036 stattfinden.
Und aus den 5,5 Milliarden Euro, die zu Beginn als Gesamtkosten genannt wurden, sind mittlerweile geschätzte 30 Milliarden Euro geworden; die exakte Summe ist nicht bekannt, weil jedes der beteiligten Länder die finanzielle Verantwortung für die von dort gelieferten Teile trägt. Gerade Ende Juli hat die EU beschlossen, die ITER-Ausgaben im Zeitraum bis 2027 auf 5 Milliarden Euro nahezu zu verdoppeln; insgesamt wird sie etwa die Hälfte der Kosten tragen.
Doch selbst so viel Zeit und Geld könnten ja gut investiert sein, wenn am Ende wirklich die Lösung aller Energieprobleme stünde. Danach sieht es allerdings nicht aus.
Dittmar nennt in seinem Gutachten, das der taz vorliegt, vier zentrale Problemfelder, für die es bisher keine Lösung gibt. Um diese zu verstehen, muss man etwas tiefer in die Prozesse einsteigen, die in einem Fusionsreaktor ablaufen.
Im Plasma, das sich in einem donutförmigen Vakuumgefäß befindet und das von starken Magnetfeldern zusammengehalten wird, findet die Fusionsreaktion statt: Deuterium, ein Wasserstoff-Atom, das anders als normaler Wasserstoff neben einem Elektron und einem Proton zusätzlich ein neutrales Teilchen, ein Neutron, enthält, und Tritium, ein Wasserstoff-Atom mit zwei Neutronen, verbinden sich dabei zu einem Helium-Atom und einem freien Neutron.
Diese Reaktion setzt gewaltige Hitze frei. Die soll eines Tages sowohl die hohe Temperatur für das Plasma aufrechterhalten als auch zur Stromerzeugung genutzt werden. Radioaktiver Abfall entsteht dabei nur in geringer Menge, eine unkontrollierte Kettenreaktion wie in Kernkraftwerken kann es nicht geben.
Ziel von ITER ist es, den Fusionsprozess maximal 7 bis 8 Minuten am Stück aufrechtzuerhalten. Anschließend muss das Plasma jeweils gereinigt werden. „Doch das ist noch mehrere Größenordnungen entfernt von den Anforderungen eines kommerziellen Reaktors“, schreibt Dittmar. „Wie ein stabiles Plasma in der dort erforderlichen Größe und Dauer erreicht werden soll, ist völlig unklar.“
Umgeben ist das Plasma im sogenannten Vakuumgefäß von einer mehrschichtigen Hülle. Und die muss viel aushalten: Die innere Wand ist gewaltigen Temperaturen und permanentem Beschuss mit energiereichen Neutronen ausgesetzt; diesen muss sie standhalten, ohne sie zu stark abzubremsen. „Es gibt heute kein Material, das diesen Anforderungen auch nur nahe kommt“, schreibt Dittmar.
Das klingt unglaublich. Doch es wird tatsächlich von offizieller Stelle bestätigt.
Michel Claessens ist in der EU-Kommission einer der Verantwortlichen für das ITER-Projekt. Zuvor leitete der Wissenschaftler, der in physikalischer Chemie promoviert hat, fünf Jahre lang die Öffentlichkeitsarbeit von ITER in Cadarache. Er sagt der taz: „Wir haben bisher keine Lösung für die innerste Schicht des Reaktors.“
Bei ITER werde dafür Beryllium verwendet, aber für spätere Reaktoren sei dies ungeeignet. „Es wird der Beanspruchung nicht dauerhaft standhalten“, sagt Claessens. Und was heißt das? Man müsse eben noch intensiver an Lösungen arbeiten, meint der EU-ITER-Experte – und noch mehr Geld ausgeben: „Darum finanzieren die EU und Japan ein zusätzliches Forschungsprogramm, um neue Materialien für Fusionsreaktoren zu finden.“
Ebenfalls ungelöst ist ein weiteres zentrales Problem: die Versorgung mit Tritium, einem der zwei Ausgangsisotope der Fusion. Während Deuterium aus Meerwasser gewonnen werden kann, kommt Tritium in der Natur praktisch nicht vor. ITER wird ebenso wie alle bisherigen, wesentlich kleineren Fusionsexperimente auf Tritium angewiesen sein, das beim Betrieb von speziellen Atomkraftwerken entsteht, die Schwerwasser-Reaktoren vom Typ Candu nutzen. Davon sind aber nur noch 28 in Betrieb, und es werden ständig weniger. Zudem zerfällt das radioaktive Tritium mit einer Halbwertzeit von zwölf Jahren, sodass die vorhandenen Vorräte schnell abnehmen, wenn kein neues Tritium mehr produziert wird.
„Alle weiteren Fusionsreaktoren nach ITER müssen darum ihr eigenes Tritium erzeugen“, schreibt Dittmar. Das kann geschehen, wenn ein Neutron im sogenannten Breeding Blanket in der Hülle, die das Plasma umgibt, auf Lithium trifft, wobei Tritium und Helium entstehen. Doch die Vorstellung, dass das gelingt, basiere auf nichts anderem als auf „Hoffnungen, Fantasien, Missverständnissen oder sogar bewussten Falschdarstellungen“, meint Dittmar.
Dass es für weitere Versuchsreaktoren oder gar für kommerzielle Fusionskraftwerke kein Tritium mehr gibt, bestätigen alle Wissenschaftler, die dazu arbeiten. „Tritium-Selbstversorgung zu erreichen wird eine unausweichliche Voraussetzung für alle künftigen Fusionsanlagen nach ITER“, schreibt etwa Gianfranco Federici im vergangenen Jahr in einem Paper in der IAEA-Zeitschrift Nuclear Fusion. Der Italiener leitet die Abteilung für Kraftwerksphysik und -technologie bei Eurofusion, dem europäischen Forschungszusammenschluss zur Fusion. Er arbeitet an Konzepten für einen Demonstrationsfusionsreaktor, der auf ITER folgen soll. Federici bestätigt Dittmars Aussage, dass es zur Erzeugung von Tritium in Fusionsreaktoren bisher nur theoretische Überlegungen gibt. „Trotz seiner kritischen Bedeutung für die Fusionsentwicklung ist noch nie ein Breeding Blanket gebaut oder getestet worden“, schreibt er.
In ITER sind erste Tests mit solchen Blankets geplant, doch diese mussten wegen Platzproblemen im Reaktor deutlich eingeschränkt werden. Und selbst wenn sie erfolgreich verlaufen sollten, würden nach ITER noch „Lücken und Risiken“ bestehen bleiben, so Federici. Auch Michel Claessens von der EU räumt ein, dass ITER praktisch die gesamten weltweit vorhandenen Tritiumvorräte aufbrauchen werde und die weitere Versorgung ein „ernsthafter Engpass“ sei.
Noch deutlicher wird Mohamed Abdou. Der Nuklearphysiker an der University of California in Los Angeles hat über vierzig Jahre zum Thema Fusion geforscht – und zieht kurz vor seinem Ruhestand eine ernüchternde Bilanz. In einem Resümee beim Internationalen Symposium zu Fusionstechnologie, das im vergangenen Jahr in Budapest stattfand, erklärte er laut dem Vortragsmanuskript (hier als pdf), dass die Fortschritte der vergangenen Jahrzehnte „frustrierend langsam“ waren.
Der Reaktor
Iter steht eigentlich für „International Thermonuclear Experimental Reactor“. Weil das offenbar zu viele negative Assoziation hervorruft, schreibt das Iter-Konsortium die Abkürzung inzwischen nicht mehr aus, sondern erklärt sie nur mit dem lateinischen Wort für „der Weg“ – und das soll natürlich der in die Energiezukunft sein.
Das Konsortium
Getragen wird Iter gemeinsam von der EU, den USA, China, Japan, Russland und Indien. Weil jedes Land für einen bestimmten Teil von Iter verantwortlich ist, gibt es keinen finanziellen Gesamtplan. Schätzungen gehen von über 30 Milliarden Euro aus, auf die EU entfällt davon etwa die Hälfte.
Der Zeitplan
Die Planung für einen internationalen Fusionsreaktor begann 1985 unter US-Präsident Ronald Reagan und UdSSR-Generalsekretär Michail Gorbatschow. Erst 2006 wurde schließlich ein Vertrag zur Finanzierung von Iter unterzeichnet, Anfang 2007 mit den Bauvorbereitungen begonnen. Nach derzeitigem Plan soll der Reaktor 2025 fertiggestellt sein und das erste Plasma erzeugt werden, ab 2036 dann mit tatsächlicher Fusion experimentiert werden. Ab 2040 soll der Reaktor wieder abgebaut werden.
Es gebe „große Unsicherheiten beim Erreichen der Tritium-Selbstversorgung“, heißt es, und die bei ITER geplanten Versuche reichten nicht aus, um diese zu beheben. Abdou fordert: „Wir können nicht damit weitermachen, nur über die Themen zu reden, bei denen wir wissen, wie wir sie lösen, und kritische, für die Funktion erforderliche Probleme zu ignorieren, für die wir keine Lösung haben.“
Anders als Fusionskritiker Dittmar wollen die Fusionsforscher die Technologie aber noch nicht aufgeben. Für Abdou ist die Konsequenz aus dem bisherigen Scheitern an Lösungen der entscheidenden Fragen: dass noch mehr Geld für Fusionsforschung bereitgestellt wird. Neben privaten Investoren setzt er dabei auch auf mehr staatliche Mittel, vor allem aus den USA. Auch der europäische Fusionsforscher Federici fordert in seinem Paper „ein kraftvolles Physik- und Technologie-Forschungs- und Entwicklungsprogramm über ITER hinaus“.
Das lehnt Sylvia Kotting-Uhl entschieden ab. Der langjährigen Bundestagsabgeordneten der Grünen und derzeitigen Vorsitzenden des Bundestags-Umweltausschusses sind schon die bisherigen Ausgaben der EU für ITER viel zu hoch. „Nach erfolglosen Jahrzehnten weitere 5 Milliarden Euro in ein aussichtsloses Projekt zu pumpen zeugt von mangelndem Zukunftsverständnis“, sagt sie der taz.
Auch die zuletzt von Macron wiederholte Vision, dass die Fusion eine Lösung für den Klimawandel sein könne, überzeugt die Grüne nicht: „Der Kampf gegen die Klimakrise darf nicht zum Wunschdenken an ungewisse Megaprojekte verkommen.“ Anstatt auf ein Wunder in ferner Zukunft zu hoffen, müssten Deutschland und die EU in bereits ausgereifte Klimaschutztechnologien investieren, sagt Kotting-Uhl. Und selbst wenn die Fusion irgendwann doch noch gelingen würde, käme sie für eine Lösung der Klimakrise zu spät, meint die Abgeordnete: „Für das Erreichen der Klimaneutralität bis 2050 ist die Kernfusion – falls sie je kommt – irrelevant.“
Tatsächlich wird gerade die Beschleunigung der Klimakrise, die stets als Argument für die Fusion angeführt wurde, zunehmend zum Problem für die Technik. Denn um irreversible Klimaschäden zu vermeiden, müssen die Emissionen in den Industriestaaten schon in der Mitte des Jahrhunderts auf null sinken. Doch dass die Fusion bis dahin irgendeinen Beitrag zur Energieversorgung leisten kann, behaupten nicht mal die größten Optimisten.
In ihren Planungen folgen auf ITER zunächst mehrere weitere Forschungsreaktoren (genannt „Demo“), die deutlich größer wären und, anders als ITER, tatsächlich Strom produzieren würden. Und erst wenn diese erfolgreich wären, könnte mit der Planung von kommerziellen Reaktoren begonnen werden – irgendwann weit in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts.
Und selbst wenn die zahlreichen technologischen Probleme, für die bisher nicht mal theoretisch eine Lösung in Sicht ist, in der Praxis gemeistert werden könnten, bleibt die Frage, ob Fusion auch wirtschaftlich funktionieren würde.
Bei ITER, dem bisher größten und teuersten Fusionsreaktor, würde die erzeugte Wärme lediglich in kurzen Phasen dafür genügen, eineinhalb mal so viel Strom zu erzeugen, wie dem Reaktor für den Fusionsprozess insgesamt zugeführt werden muss; den auf der ITER-Webseite genannten Faktor von 10 bezeichnet selbst EU-Mann Claessens in einem Buch über den Reaktor als Irreführung. Denn dabei wird nur der Strom zum Heizen des Plasmas berücksichtigt und dieser zudem mit der erzeugten Wärmeenergie verglichen statt mit dem Strom, der damit produziert werden könnte.
Ein kommerzieller Reaktor, der so viel Strom erzeugen soll wie ein heutiges Atom- oder Kohlekraftwerk, müsste um ein Vielfaches größer sein als ITER – und würde damit, abgesehen von allen damit verbundenen technischen Schwierigkeiten, auch wesentlich teurer.
Angesichts der Tatsache, dass selbst technisch ausgereifte konventionelle Atomkraftwerke heute kaum noch mit der immer billiger werdenden Stromerzeugung aus Wind und Sonne konkurrieren können und auch die Speicherung von Strom zunehmend billiger wird, scheint es kaum vorstellbar, wie Strom aus Großkraftwerken mit Kosten im zweistelligen Milliardenbereich in fünfzig Jahren günstiger sein soll als solcher aus erneuerbaren Quellen.
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Dass CDU-Staatssekretär Thomas Bareiß angesichts dieser Faktenlage zur Einschätzung kommt, Fusion könne für eine „bezahlbare Energieversorgung“ sorgen, ist darum überraschend. Eine Nachfrage, was die Grundlage für diese Aussage sei, blieb unbeantwortet. Das Wirtschaftsministerium erklärte lediglich, obwohl die Fusionsforschung „Fortschritte gemacht“ habe, sei es „noch nicht möglich, genau vorauszusagen, wann eine kommerzielle Stromproduktion aus Fusion erfolgen kann“.
Wirtschaftlichkeit unklar
Dass noch offen ist, ob Fusion jemals konkurrenzfähig wird, räumt auch EU-Experte Claessens ein. „Die wirtschaftliche Tragfähigkeit muss erst noch demonstriert werden“, sagt er. Doch aufhalten lassen will er sich davon nach jahrelanger Arbeit für das Projekt nicht mehr: „Vielleicht wird es nicht klappen. Aber wir sollten es wenigstens versuchen, denn die potenziellen Vorteile sind enorm.“
Auch das Wirtschaftsministerium lässt sich von den offenen Fragen nicht beeindrucken. „Kernfusion ist aus Sicht der Bundesregierung eine energiepolitische Option über den Zeitraum 2050 hinaus“, heißt es aus dem Haus von Minister Peter Altmaier. „Deshalb beteiligt sich Deutschland auch an ITER.“
Michael Dittmar erinnert dieses Vorgehen an „Des Kaisers neue Kleider“, das Märchen von Hans Christian Andersen. „Wenn alle anderen behaupten, etwas zu sehen, traut sich keiner zu sagen, dass er nackt ist“, meint der Physiker.
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