Wann haben wir endlich Strom aus Kernfusion?

Schier unbegrenzte Energie zu jeder Tag- und Nachtzeit: In der Kernfusion werden in der letzten Zeit immer wieder Durchbrüche vermeldet. Die Energieform soll noch in diesem Jahrhundert zur grünen Energiewende beitragen. Da stellt sich natürlich die Frage: Wann geht der erste Fusionsreaktor überhaupt ans Netz? Der Physiker Georg Harrer ist zuversichtlich, dass man es in 30 Jahren schaffen kann - auch wenn er vorsichtig mit Prognosen sein will. 

Kernfusion ist immer 30 Jahre entfernt

Die 30 Jahre sind allerdings ein "Running Gag" in der Kernfusionsgemeinschaft. In den 60er-Jahren hieß es bereits, dass man noch vor der Jahrtausendwende die ersten Fusionskraftwerke bauen würde. Seitdem blieb die Kernfusion konstant 30 Jahre in der Zukunft.

Harrer beschäftigt sich am Institut für Angewandte Physik der TU Wien mit dem Thema. Seine Forschung wurde zuletzt auf der Website der American Physical Society vorgestellt - und zwar direkt unter einem Artikel über den Physik-Nobelpreis. “So nah waren wir dem Nobelpreis noch nie, hat der Fritz gescherzt”, erzählt Georg Harrer in einem Gespräch mit der futurezone. Der 32-Jährige und sein Team sind der Grund, warum sich Österreich auch in der Kernfusionsforschung einen Namen gemacht hat. Das freute auch Fritz Aumayr, Vorstand des Instituts für Angewandte Physik an der TU Wien und Direktor des Österreichischen Fusionsforschungsprogramms bei der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

“Ganz am Anfang hat man den turbulenten Transport unterschätzt, der für die Instabilitäten im Plasma verantwortlich ist”, erklärt sich Harrer die zögerliche Entwicklung. “Ab einer gewissen Temperatur und Dichte bläst das Plasma einfach mehr heraus, als man es vorher gedacht hat. Bei den kleinen Maschinen hat es gepasst, auch wenn man es hochgerechnet hat.” Bei größeren Maschinen kam es allerdings zu Problemen, die erst mit der Zeit gelöst werden konnten.

Tokamak oder Stellarator?

“Auch die Frage zwischen (den Reaktortypen, Anm.) Tokamak und Stellarator ist bis heute nicht geklärt”, verrät Harrer. Der Test-Reaktor Wendelstein 7-X (ein Stellarator) mache super Ergebnisse, die Forschung ist bei Tokamaks allerdings schon etwas weiter. Tokamak und Stellarator unterscheiden sich hauptsächlich in ihrem Magnetfeld. Während im Tokamak das heiße Plasma in einer Donut-Form gehalten wird, wird beim Stellarator ein Magnetfeld aufgebaut, das wie ein in sich verdrehtes Band aussieht. 

Beide Reaktortypen haben ihre Vor- und Nachteile, beide versuchen jedoch das Plasma in ihrem Inneren durch Magnetfelder in der Schwebe zu halten. Denn die Wasserstoffatome im Reaktor müssen auf mehrere Millionen Grad aufgeheizt werden, um zu fusionieren - eine solche Hitze hält kein Material der Welt aus. 

Stellarator kann durchgehend Energie liefern

Beim Stellarator halten speziell angeordnete Magnetfeldspulen das heiße Plasma von den Reaktorwänden fern. Ihr Aufbau ist beim Tokamak zwar einfacher, dafür muss aber auch ein Strom und ein Magnetfeld in das Plasma selbst induziert werden - und zwar, indem der Strom in der zentralen Transformatorspule immer weiter erhöht wird.

“Der Vorteil eines Stellarators ist, dass die Pulslänge theoretisch unendlich lang sein kann”, weiß Harrer. Der Tokamak muss hingegen nach einiger Zeit heruntergefahren werden, weil man nach einiger Zeit das Maximum des Transformatorstroms erreicht. Selbst bei supraleitenden Spulen, die mit flüssigem Helium auf 4 Kelvin (-269 Grad Celsius) heruntergekühlt werden, ist nach einer bestimmten Zeit ein Limit erreicht.

Forschung an Tokamak weiter fortgeschritten

Harrer forscht hauptsächlich am Test-Tokamak ASDEX Upgrade in Garching bei München. Das Axialsymmetrische Divertor-Experiment (ASDEX Upgrade) hat einen Radius von etwa 5 Metern. Im Dezember reist Harrer nach England, um seine Experimente am Reaktor JET (Joint European Torus) bei Oxford durchzuführen, der doppelt so groß ist wie der in Garching. “Das ist unter anderem spannend, weil die erzeugte Energie proportional mit dem Volumen zunimmt - und das ist bei JET 8 Mal so groß wie bei ASDEX Upgrade”, sagt der 32-Jährige.

Wenn alles gut läuft, tragen Harrers Ergebnisse auch ihren Teil zum ITER-Projekt bei. Der bislang größte Kernfusionsreaktor entsteht momentan in Südfrankreich und soll Ende 2025 in Betrieb gehen. Er ist - richtig geraten - etwa doppelt so groß wie JET.

Wie man 100 Millionen Grad erreicht

Um das Plasma aber auf die bei ITER angestrebten 100 Millionen Grad aufzuheizen, gibt es 3 Möglichkeiten. Zunächst werden Ionen (geladene Atome) und Elektronen durch elektromagnetische Wellen aufgeheizt - Radiowellen bringen dabei die Ionen zum Schwingen, Wellen im Gigahertzbereich (ein bisschen höher als unser WLAN) regen die kleineren Elektronen an. Daneben werden noch kleine Teilchenbeschleuniger auf das Plasma gerichtet, um mit Wasserstoffatomen darauf zu schießen - die sogenannte Neutralteilcheninjektion. Die beschleunigten Teilchen stoßen sich dann an den Ionen im Plasma und geben dabei ihre Energie ab. 

Als Fusionsstoff selbst dienen Deuterium und Tritium, also Wasserstoff mit einem bzw. 2 zusätzlichen Neutronen. Die verschmelzen dann zu Helium und geben wiederum ein Neutron ab. Dabei entsteht Hitze, die bei künftigen Fusionskraftwerken aufgefangen und genutzt werden soll. “Bei ASDEX Upgrade nutzen wir aber nur Deuterium”, sagt Harrer. Deuterium ist auf der Welt quasi im Überfluss vorhanden, in einem Liter normalem Wasser finden sich genug Deuterium-Ionen, um die Energie von einer Tonne Kohle oder 700 Liter Öl zu ersetzen.

Tritium kommt auf der Erde hingegen selten vor, fällt jedoch als Abfallprodukt bei Kernspaltungsreaktoren an. “Das reicht allerdings bei Weitem nicht aus, um das, was wir in Zukunft an Treibstoff brauchen werden, zu produzieren”, sagt der Physiker. Glücklicherweise sollen Fusionskraftwerke künftig auch als Tritum-Brüter fungieren. Dafür eignet sich das Metall Lithium. Treffen Neutronen nämlich auf Lithium, entstehen Tritium- und Helium-Atome. Bei ITER sollen verschiedene Typen solcher Brüteinheiten getestet werden, um zu messen, welche sich am besten dafür eignen.

Der fragile Plasmarand

Damit hat Harrer allerdings wenig zu tun. Er und sein Team sind auf Plasmarandphysik spezialisiert, beschäftigen sich also damit, das Plasma möglichst stabil zu halten. Gefährliche Instabilitäten können den Reaktor nämlich beschädigen. Sogar Wolfram, das Metall mit dem höchsten Schmelzpunkt (3.422 Grad), hat gegen das Plasma keine Chance. Das Material, aus dem die ASDEX Upgrade-Wände gemacht sind, zeigt immer wieder kleine Schmelzstellen, die aufwendig repariert oder am Ende der Messkampagne getauscht werden müssen.

Verantwortlich für diese schadhaften Stellen sind die sogenannten ELMs. ELMs (Edge-Localized Modes) kann man sich als die eine Art Sonneneruption im Tokamak vorstellen. Energiereiche Teilchen werden dabei aus dem Magnetfeld auf die Reaktorwand geschleudert.

Wie beim Nudelkochen, wo der Deckel fest verschlossen auf dem Kochtopf sitzt, wird nach einiger Zeit der Druck im Topf zu groß, der Deckel beginnt zu scheppern und Dampf entweicht stoßartig.

Forscher*innen wie Harrer versuchen daher, diese ELMs möglichst zu eliminieren und stattdessen mehrere sogenannte “kleine ELMs” zu erzeugen. Diese haben einerseits den Vorteil, dass sie nicht so energiereich sind, dass sie gleich die Reaktorwand zum Schmelzen bringen.

Andererseits erzeugen sie eine kontinuierliche Last über eine größere Fläche, die man dann besser kühlen kann. “In unserem Szenario wird der Deckel am Topf sozusagen leicht schräg gestellt und hört auf zu scheppern, da der Dampf kontinuierlich entweichen kann und dadurch der Druck nie zu hoch wird.“

Es gibt allerdings noch weitere Ansätze, wie man das Plasma ELM-frei machen könnte. Eine andere Vorgehensweise wäre, weitere Spulen einzubauen und das Magnetfeld im Tokamak so zu verformen, dass es dem eines Stellarators ähnelt. Die Methode hat aber einige Haken: Erstens benötigt man wieder mehr teure Spulen, zweitens büßt man dadurch auch Plasmadichte ein. Diese zusätzlichen Spulen sind bei ITER auch geplant, weshalb Harrer und sein Team einiges an Überzeugungsarbeit leisten müssen, um zu zeigen, dass es auch ohne geht.

Außerdem sind ELMs nicht grundsätzlich schlecht. “Wolframatome aus der Reaktorwand verunreinigen das Plasma, was es wiederum abkühlt. Bei den ELMs werden die Verunreinigungen wieder nach draußen abgegeben, sie halten das Plasma also sauber”, erklärt der Physiker.

Wie weit ist die Fusionsforschung?

Wo steht man nun also in der Fusionsforschung? “Das Plasma kann man schon recht gut aufrechterhalten”, meint Harrer. “Das große Problem ist, dass wir die großen Maschinen noch nicht haben.” Es gibt nämlich Dinge, die man sich erst in den großen Reaktoren anschauen kann: Etwa wie sich die Heliumheizung auswirkt. Beim JET-Forschungsreaktor wird bei der Kernfusion zwar bereits etwas Helium produziert, was selbst wieder Energie an das Plasma abgibt. Die Mengen genügen aber nicht, um das Plasma ausreichend aufzuheizen und externe Heizungen abzuschalten.

Dafür soll ITER dann Antworten liefern. Läuft alles nach Plan, entsteht in dem globalen Forschungsprojekt 2025 das erste Plasma, 2035 soll er seine volle Leistung erreicht haben. Der Tokamak ist dabei darauf ausgelegt, 3.000 Sekunden (50 Minuten) lang sein Plasma aufrechtzuerhalten - und zwar mit einem Q-Faktor von 5. Über einen kürzeren Zeitraum soll sogar ein Q-Faktor von 10 möglich sein. Der Q-Faktor ist einer der wichtigsten Werte eines Fusionsreaktors - er beschreibt, wie viel Energie für die Erhitzung des Plasmas hineingesteckt werden muss und wie viel Energie durch die Fusion wieder herauskommt. Liegt der Faktor bei 1, wurde gleich viel Energie hinzugefügt, wie erzeugt werden konnte. Bei einem Faktor 5 ist die erzeugte Energie 5 Mal größer.

“Bei ASDEX ist der Q-Faktor noch weit unter 1, bei JET ist man kurz davor, dass man bei 1 rauskommt. Wenn man dasselbe Plasma bei ITER machen würde, dann passt das”, ist Harrer überzeugt. Die Energieeinschlusszeit wird nämlich höher, je größer der Reaktor ausgelegt ist. Sie sagt quasi aus, wie gut das Plasma isoliert ist, wie lange es warm bleibt, wenn man zu heizen aufhört. “Wir kriegen Dichte und Temperatur schon ganz gut hin, nur an der Energieeinschlusszeit hapert es in den kleinen Anlagen.” Bei großen Anlagen soll das deutlich besser sein: “Wenn man den Reaktor größer macht, isoliert er automatisch besser. Ein kleiner Donut in der Mikrowelle kühlt schließlich auch schneller aus als ein großer.”

Kernfusion hat in Österreich keinen guten Stand

Als großen Reaktor kann man die geplante DEMOnstration Power Plant getrost bezeichnen. Das Nachfolgeprojekt von ITER soll sich damit beschäftigen, erstmals auch Strom ins Netz einzuspeisen. Der Bauort ist aber noch nicht bekannt. “Das kann überall sein, vielleicht sogar in Österreich”, scherzt Harrer. “Aber wahrscheinlich nicht.” In Österreich ist nämlich nicht nur Kernspaltung verpönt, sondern auch die Fusion. “Wenn man es einmal erklärt hat, sind die Leute begeistert. Aber wenn man ‘Kern’ sagt, sind viele Leute erst einmal skeptisch.”

Kein Wunder, denn Kernenergie wird meist mit schädlicher Radioaktivität in Verbindung gebracht. Ganz ohne Radioaktivität kommen auch Fusionsreaktoren nicht aus. Durch den Neutronenbeschuss wird Material im Reaktor aktiviert, was sich aber nicht mit einem Atomkraftwerk vergleichen lässt. “Nach der Messung muss man vielleicht einen Tag warten, bis die Strahlung direkt in der Maschine wieder ok ist, in die Halle kann man sofort rein”, versichert Harrer. Außerdem suchen Materialforscher*innen ständig nach neuen Stählen und anderen Legierungen, die sich weniger stark aktivieren.

Verwendet man zusätzlich zum Deuterium auch Tritium, sind die Strahlenschutzmaßnahmen deutlich strenger. Der “überschwere Wasserstoff” ist bereits an sich schwach radioaktiv, er hat eine Halbwertszeit von etwas über 12 Jahren. Seine radioaktive Strahlung - Beta-Strahlung - ist aber zu energieschwach, um menschliche Haut von außen durchdringen zu können. Schädlich kann es erst werden, wenn Tritium etwa durch Einatmen aufgenommen wird.

Die Idee ist, Fusionsreaktoren künftig nach ihrem Lebensende einige Zeit stehenzulassen und ihre Materialien dann wieder zu recyceln. Endlager sind nicht nötig. Nach einer Wartezeit von 50 Jahren können 30 bis 40 Prozent des Fusionsabfalls unbeschränkt freigegeben werden. Der übrige Abfall kann nach weiteren 50 Jahren rezykliert und in neuen Kraftwerken wieder verwendet werden.

Klimakrise macht das Thema wieder interessant

In den vergangenen Jahren wehte zudem neuer Wind in der Kernfusionsforschung, der Druck und auch die Hoffnung von außen sind deutlich gewachsen. “Früher war einfach immer genug billige Energie da. Mit dem Klimawandel, mit dem Atomausstieg, mit steigenden Energiepreisen wird das Thema wieder interessant.”

So interessant, dass sich immer mehr Start-ups mit der Kernfusion beschäftigen. Manche Start-ups, wie etwa das aus dem MIT ausgegliederte Commonwealth Fusion Systems (CFS), hätten durchaus Potenzial. “Die benutzen Hochtemperatur Supraleiter (HTS) Spulen, mit denen sie viel stärkere Magnetfelder anlegen können. Dadurch kann man Reaktoren kompakter bauen, wobei aber die gleiche Menge an Energie wie bei größeren Modellen produziert wird. Für die Materialien macht das die Herausforderungen dementsprechend größer.”

Bei der Erforschung solcher Supraleiter und ihrer Neutronenfestigkeit ist Österreich außerdem weltführend. Beschießt man Supraleiter nämlich mit Neutronen, wie es in Fusionsreaktoren der Fall ist, hören sie nämlich auch manchmal auf, supraleitend zu sein. Wie genau sich das auswirkt, wird am Wiener Atominstitut mit dem sogenannten Praterreaktor untersucht.

Die kompakte Bauweise dieser kleinen Reaktoren drückt zusätzlich die Kosten. Harrer ist sich sicher: “Sollte der CFS-Tokamak namens SPARC funktionieren, wird wohl auch das erste Fusionskraftwerk ein Hochtemperatur-Supraleiter-Tokamak.“ Nicht nur Harrer findet das Unternehmen interessant. Auch Bill Gates und Google glauben daran und investierten Millionen in das Projekt, seit 2018 konnte sich das Unternehmen 2 Milliarden Dollar an Investitionen sichern.

Vorsicht bei zu großen Fusions-Versprechungen

Laut Harrer sollte man aber vorsichtig sein, wenn wieder einmal der nächste Durchbruch in der Kernfusionstechnologie verkündet wird. Von den Fusions-Start-ups, die aus dem Boden sprießen, dürften nur wenige eine Zukunft haben. “Wenn dir ein Unternehmen verspricht, dass sie in 5 Jahren einen funktionierenden Reaktor bauen können, ist es nicht seriös”, sagt Harrer.

Und auch Medienberichte zu vermeintlichen Pionierleistungen sind nicht immer ganz so spektakulär, wie sie dargestellt werden. Besonders oft hört man von Rekorden, wo ein Plasma für mehrere Minuten aufrechterhalten werden kann. “Das ist eigentlich irrelevant. Das könnten wir auch, wenn es uns interessieren würde”, verrät Harrer. “Beim EAST-Tokamak in China oder K-Star in Korea sind alle Spulen supraleitend, weshalb sie viel längere Entladungen machen können. Das ist natürlich super, aber die interessante Physik passiert erst dann, wenn man an die Grenzen dieser Maschinen geht.”

Eine solche Entladung ist dabei auch immer eine Kostenfrage. Mit einem Gesamtbudget von 135 Millionen Euro kostet eine Entladung bei ASDEX Upgrade mehrere 10.000 Euro. Genau lässt sich das natürlich nicht umrechnen, darin ist das gesamte Personal wie Verwaltung, Physiker*innen, Techniker*innen oder auch Wartungs- und Energiekosten enthalten.

Fusionskraft als Unterstützung für erneuerbare Energie

Zahlen sich die Investitionen aus? Für Harrer steht fest, dass aus heutiger Sicht erneuerbare Energie allein die Energiewende nicht stemmen kann. Der Energiehunger der Menschheit wächst, der Ausbau der Erneuerbaren geht zwar gut voran, es brauche aber eine emissionsfreie Energie, die die Grundlast bei jedem Wetter und bei jeder Tages- oder Nachtzeit stemmen kann.

Diese Energie könnte die Fusionskraft liefern. Sicher noch nicht in den kommenden Jahren, und mit einer Handvoll Reaktoren auch noch nicht 2050. Aber bis 2100 ist es gut möglich, dass grüner Strom aus Fusionskraftwerken einen nicht unerheblichen Teil des weltweiten Energiebedarfs abdeckt.