Alternativer Ansatz zur Kernfusion nimmt wichtige erste Hürde

Von Gregory McAvoy
16. März 2016

Am 10. Dezember 2015 erreichte das seit vierzehn Jahren in Bau befindliche Fusionsexperiment Wendelstein 7-X ein erstes Etappenziel. Es soll am Ende beweisen, das die Kernfusion, der Prozess der die Sonne befeuert, von der Menschheit genutzt werden kann, um Energie zu erzeugen. Wendelstein 7-X hat sein erstes Heliumplasma produziert (mehr darüber weiter unten).

Max Planck Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald (Foto: Max Planck IPP)

Wendelstein 7-X, technisch auch als Stellarator bezeichnet, befindet sich im Max Planck Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald, Mecklenburg-Vorpommern, und ist das Resultat einer internationalen Zusammenarbeit, die hauptsächlich von der deutschen Regierung und der EU gefördert wurde. Die „Jungfernfahrt“ wurde per Livestream in Fusionslaboratorien in ganz Europa übertragen. In deutschen und internationalen Medien wurde breit darüber berichtet.

Ursächlich für die Aufregung um das Anlaufen der Anlage ist die Hoffnung darauf, was sie leisten kann. Die Wissenschaftler und Ingenieure, die den Stellarator entworfen und gebaut haben, hoffen damit zeigen zu können, dass dieser Typ von Reaktor einen leichteren Weg zur kommerziellen Fusion weisen wird. Die Kernfusion könnte der Ausweg aus dem Energiedilemma der Menschheit sein. Sie ist CO2 neutral, und der Brennstoff ist billig und praktisch unerschöpflich, außerdem würden Fusionsreaktoren viel weniger problematischen radioaktiven Abfall hinterlassen als die Kernspaltung. Eine Kettenreaktion wie jene, die den Unfall von Tschernobyl verursachte, ist undenkbar.

Doch bisher war es schwierig zu zeigen, dass ein funktionierender Fusionsreaktor praktisch gebaut werden kann, denn die physikalischen Bedingungen, die für eine Fusion erfüllt sein müssen, sind extrem. Bei einer Fusion verschmelzen zwei leichte Atomkerne, möglichst Deuteron und Triton, die aus je einem Proton und einem und im zweiten Fall zwei Neutronen bestehen. Das Resultat – ein Heliumkern und ein freigesetztes Neutron – hat weniger Masse als Deuteron und Triton. Diese „fehlende Masse“ wird gemäß Einsteins berühmter Formel E = mc2 als Energie freigesetzt. Da sich die beiden positiv geladenen Kerne stark abstoßen, müssen sie sich mit sehr hoher Geschwindigkeit bewegen, um den sogenannten Potentialwall zu überwinden.

Das letzte der fünf nahezu baugleichen Module der Basismaschine wurde Ende 2011 installiert. (Foto: Max Planck IPP)

Um die Atomkerne so stark zu beschleunigen, muss eine Temperatur erreicht werden, die rund zehnmal heißer ist als im Zentrum der Sonne. Bei diesen Temperaturen wechselt der Brennstoff in den vierten Aggregatzustand, der als Plasma bezeichnet wird. Bei normalen Temperaturen sind die Elektronen, die den Atomkern umgeben, relativ fest an ihn gebunden, im Plasmazustand werden sie teilweise oder völlig von ihm losgelöst, die Kerne werden ionisiert. Es gibt keine Materialien, die so ein Plasma einschließen können, ohne selbst zu verdampfen. Deshalb wird das Plasma mit sehr starken Magnetfeldern eingeschlossen.

Der Stellarator Wendelstein 7-X setzt dafür auf seltsam geformte Spulen, die in einer “toroidalen” oder donatförmigen Anordnung einen Magnetfeldkäfig für das Plasma bilden.

Über zehn Jahre Planung und theoretische Berechnungen auf unglaublich schnellen Supercomputern waren erforderlich, um die Anordnung zu entwerfen, von der die Physiker hoffen, dass sie optimale Ergebnisse liefern werde. Die siebzig Spulen, jede rund 3,5 m hoch und mehrere Tonnen schwer, sind aus teuren supraleitenden Materialien hergestellt und passen hochgenau ineinander. Die supraleitenden Magnete und ihre Hilfsaggregate wiegen über 425 Tonnen und werden in einem kryogenischen Vakuumgefäß auf wenige Kelvin über den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt, um die verlustfreie Supraleitung der Spulen zu erreichen.

Weitwinkelblick in das Innere des Wendelstein 7-X Stellerator (April 2013) zeigt die Edelstahlplatten und die Wasser gekühlten Kupferplatten (die noch mit Grafitziegeln bedeckt werden), die als Panzer installiert werden, um Plasma/Wand Interaktionen zu verhindern (Foto: Max Planck IPP)

Dieser Aufbau ist, so die Hoffnung, optimal, um das Fusionsplasma einzuschließen und so die Instabilitäten und Partikelverluste, die andere Strategien plagen, zu vermeiden. Der 10. Dezember markierte den Beginn des Plasmabetriebes mit Heliumatomen als Brennstoff im Wendelstein 7-X. Ein weiterer Schritt vorwärts wurde am 3. Februar 2016 unternommen, als das erste Wasserstoffplasma erzeugt wurde. Das ist wichtig, denn die einfachste Fusion findet zwischen den beiden schwereren Wasserstoffisotopen statt.

Um diesen eindrucksvollen Erfolg zu erreichen und die zahlreichen Widerstände zu überwinden, waren viele Arbeitsstunden und ausreichende finanzielle Unterstützung nötig. Es wurden über eine Million Stunden für den Aufbau der 370 Millionen Euro teuren Komponenten benötigt, die das Budget auf über eine Milliarde Euro anschwellen lassen, wenn man die Betriebskosten mitrechnet. Die Logistik ist charakteristisch für ein internationales Großforschungsprojekt. Die Kosten für den ähnlich gelagerten ITER (international thermonuclear experimental reactor), das weltgrößte Fusionsprojekt, belaufen sich derzeit auf rund dreizehn bis fünfzehn Milliarden Euro. Er gilt als das teuerste Experiment der Menschheit und wird seinen Betrieb voraussichtlich erst in den frühen 2020er Jahren aufnehmen können.

Großforschungsprojekte sind teuer im buchstäblichen Sinn des Wortes, aber man muss im Kontext betrachten, ob wirklich genug Mittel der Fusionsforschung gewidmet werden oder nicht. Hier bietet sich die Industrie der Fossilen Brennstoffe als Vergleich an, denn irgendwann wird die Kernfusion den Energiemarkt betreten. Nur minimale öffentliche Forschungsförderung kam der Erforschung fossiler Rohstoffe zugute, denn sie ist praktisch ausgereift. Doch allein im Jahr 2014, so schätzt die IEA (Internationale Energie Agentur), unterstützten Regierungen den Einsatz fossiler Energien mit fast fünfhundert Milliarden Dollar.

Schema des Spulensystems (blau) und des Plasma (gelb) des Kernfusionexperiments Wendelstein 7-X in Betrieb am Max Planck Institut für Plasmaphysik in Greifswald. Das Beispiel zeigt die magnetische Feldlinie grün auf der Oberfläche des gelben Plasmas gezeichnet. (Foto: Max Planck IPP)

Das ist erschütternd. Selbst wenn die Kosten des teuersten wissenschaftlichen Experiments der Welt, d.h. von ITER, in einem Jahr zusammengedrängt betrachtet würden, würden sie trotzdem nur rund drei Prozent der jährlichen Ausgaben aller Regierungen zur Subvention des Verbrauchs und der Förderung fossiler Rohstoffe betragen. Diese machen jedoch die Hauptursache des anthropogenen Klimawandels aus.

Im Lichte dieser Tatsachen erscheint es als töricht und kleinlich, über das vergleichsweise kleine Budget für wissenschaftliche Forschungsprojekte zu streiten, die uns unmittelbar dabei helfen könnten, alle Menschen mit sauberer und erschwinglicher Energie zu versorgen. Doch das Gegenteil passiert immer wieder. Zum Beispiel wurde das Projekt NCSX wegen Budgetüberschreitungen eingestellt. NCSX ist ein ähnliches Experiment wie Wendelstein 7-X, das am Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) in den USA gebaut wurde. Auch das ITER-Projekt ist wegen Kostenüberschreitungen und Bauverzögerungen und vor allem wegen der Drohung der US-Regierung, sich aus dem Projekt zurückzuziehen, gefährdet.

Der Kontrast in der Bereitstellung von Mitteln und die fehlende Voraussicht können nur durch das globale politische und wirtschaftliche System erklärt werden, das kurzfristigem Profit und Kapitalakkumulation alles andere opfert. Nur eine Massenbewegung der Arbeiter kann dieses System hinwegfegen, sodass die Wissenschaft die Freiheit findet, um die Probleme der Menschheit zu lösen und die Natur völlig zu begreifen.