Kernfusion
Wie aus dem Hype ein Kraftwerk wird
Im Fusionsmateriallabor am KIT. Bild: Bernhard Ludewig
Deutschland will das erste Fusionskraftwerk der Welt bauen – den Maschinenraum dafür entwirft das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), etwa die Plasmaheizung, das Brutblanket für den Brennstoff und Technologien zur sicheren Handhabung von Tritium. Wie ausgereift ist die Technologie bereits?
Manchmal sei er selbst noch überrumpelt von dem „Mordshype“, gesteht Christoph Kirchlechner, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Werkstoff- und Grenzflächenmechanik sowie Sprecher des Programms Fusion am Karlsruher Institut für Technologie (KIT): „Nach vielen Jahren, in denen wir uns alle über etwas mehr Geld und Aufmerksamkeit gefreut hätten, steht die Fusionsforschung plötzlich im Rampenlicht.“ Dafür sorgen in Deutschland zum Beispiel Start-ups, die aufwendige Reaktorkonzepte in Rekordzeit umsetzen wollen – und dafür mit den Forschungszentren von Helmholtz zusammenarbeiten. Aber auch die jüngsten Ankündigungen aus der Politik geben dem Thema Aufwind: Die Bundesregierung will die Fusionsforschung massiv fördern. Denn der erste kommerzielle Reaktor der Welt soll in Deutschland gebaut werden.
Diese Anlagen holen gewissermaßen einen Prozess auf die Erde, der im Innern der Sonne und aller anderen Sterne ständig abläuft: Bei enormen Temperaturen verschmelzen dort Atomkerne miteinander. Bei dieser Kernfusion entsteht Energie. Um solche Reaktionen auf der Erde zu ermöglichen, müssen auch Fusionskraftwerke extreme Bedingungen erzeugen und diese stabil halten. Die Brennstoffe werden auf Temperaturen von mehr als 100 Millionen Grad erhitzt. Dabei werden die Atome ionisiert: Elektronen lösen sich von den Atomkernen und es entsteht ein elektrisch geladenes Gas – Plasma. Im Vergleich zur Kernspaltung gilt die Fusion als deutlich sicherer. Eine unkontrollierte Kettenreaktion oder eine Kernschmelze wie in klassischen Atomkraftwerken ist physikalisch nicht möglich. Zudem fallen nur vergleichsweise kurzlebige radioaktive Materialien an, die nicht über Jahrtausende gelagert werden müssen.
Derartige Anlagen könnten künftig nahezu unbegrenzte Mengen an Energie liefern. Viele Forschungsgruppen konzentrieren sich dabei vor allem auf die Vorgänge im Plasma: In den geplanten Kraftwerken finden darin die Fusionsreaktionen statt. „Dass dies generell auch auf der Erde gelingen kann, ist für mich heute keine Science Fiction mehr, sondern ein Prozess, der zeitnah Realität werden kann“, erläutert Kirchlechner. „Viel entscheidender ist deshalb in meinen Augen die Frage, wie die Anlagen konkret gestaltet sein müssen, damit wir die Fusionsenergie sicher, zuverlässig und wirtschaftlich kompetitiv nutzen können.“
Christoph Kirchlechner, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Werkstoff und Grenzflächenmechanik sowie Sprecher des Programms Fusion am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Bild: KIT
Diesen Maschinenraum entwickeln die Wissenschaftler:innen des KIT maßgeblich mit: Ihre Labore und Versuchsanlagen zählen zur Weltspitze, vom KIT entwickelte Geräte arbeiten bereits in Forschungsreaktoren wie Wendelstein 7-X in Greifswald und werden in ITER in Frankreich verbaut. Deshalb soll das Karlsruher Forschungszentrum auch eine zentrale Rolle im „Aktionsplan Fusion“ der Bundesregierung spielen. Dieser sieht drei Innovations-Hubs vor: Je ein Hub wird sich den Themen Magnet- und Laserfusion widmen. Im dritten Hub gehen Forschung und Industrie gemeinsam der Frage nach, wie der Brennstoffkreislauf für Fusionsreaktoren gestaltet sein muss und welche Materialien für die Anlagen geeignet sind. In diesen Fragen zählt das KIT zu den weltweit führenden Akteuren.
Denn noch sind zahlreiche hochkomplexe Fragen zu klären: Wie etwa lässt sich das benötigte Tritium, der Brennstoff im Fusionsreaktor, in ausreichender Menge erzeugen? In der Natur kommt er kaum vor. Wie gelangt er außerdem zielgenau ins Innern der Plasmakammer? Die dort ablaufenden Fusionsreaktionen benötigen kontinuierlich Nachschub. Und welche Materialien halten den dabei entstehenden extremen Temperaturen und hochenergetischen Neutronen dauerhaft stand?
Bei aller Euphorie rät Fusionsexperte Kirchlechner deshalb zu einem realistischen Blick auf den Zeitplan: Bis ein erstes Fusionskraftwerk kompetitiv Strom liefern wird, werden seiner Einschätzung nach noch Jahrzehnte vergehen. „Daher ist es entscheidend, dass wir genau jetzt die Kräfte bündeln, um die Technologien für Fusionskraftwerke auf den Weg zu bringen.“
Wichtig dafür ist zum Beispiel die Tritiumforschung am KIT. Weltweit gebe es nur einige wenige Dutzend Fachleute, die sich mit dem zivilen Einsatz des Brennstoffs auskennen, schätzt Kirchlechner. Etwa in Fragen des Brennstoffkreislaufs: Um das Fusionsplasma im Innern eines Reaktors dauerhaft am Brennen zu halten, muss es permanent gereinigt und Brennstoff zurückgewonnen werden – dafür entwickeln die Karlsruher Forscher:innen die passenden Geräte, Komponenten und Systeme.
So ist das KIT zum Beispiel weltweit führend in der Entwicklung so genannter Blankets: Diese mit Lithium-6 angereicherten Module bedecken in Fusionskraftwerken beinahe die gesamte Wandfläche der Plasmakammer. In ihnen bildet sich Tritium, sobald dort Neutronen einschlagen, die bei der Fusionsreaktion freigesetzt werden – Reaktoren versorgen sich so kontinuierlich selbst mit dem Brennstoff. „Damit dieser Kreislauf stabil bleibt, dürfen wir allerdings kein Gramm zu viel oder zu wenig Tritium produzieren, sondern müssen eine Punktlandung hinlegen: Das ist schon enorm herausfordernd“, erklärt Kirchlechner.
Im Fusionsmateriallabor. Bild: Bernhard Ludewig
Getestet werden diese Vorgänge unter anderem im Tritiumlabor Karlsruhe (TLK), einer weltweit einmaligen Anlage. Das KIT forscht dort bereits seit mehr als 30 Jahren an der sicheren Handhabung von Tritium und am Brennstoffkreislauf. Heute bildet das TLK diese Systeme nach und erlaubt deshalb Experimente mit hochreinem Tritium. Bislang konnten die Fachleute dort akkumuliert bereits mehr als 30 Kilogramm des Brennstoffs verarbeiten. Zum Vergleich: Ein kommerzielles Kraftwerk wird künftig etwa zwei bis vier Kilogramm Tritiuminventar benötigen.
Die Blankets fangen zudem auch die Energie ein, die bei der Kernfusion entsteht, und wandeln sie um in Wärme: Mit ihr erzeugen die Kraftwerke über Generatoren den Strom, den sie in Netz liefern. „Auch hier müssen viele Abläufe noch optimiert und dann bei realen Umgebungsbedingungen erprobt werden“, erklärt Kirchlechner. Ein weiterer Vorteil der Fusionsforschung am KIT: Als Universität kann das Forschungszentrum in voller Breite auch die dringend benötigten Fachkräfte für die Zukunftstechnologie ausbilden.
Eine große Herausforderung bleiben die extrem hohen Temperaturen im Innern von Kraftwerken, die auf Magnetfusion setzen: Um sie zu erzeugen sind spezielle Zünder notwendig, so genannte Gyrotrons, die das Plasma über Mikrowellenstrahlung aufheizen. In der Erforschung und Entwicklung dieser Geräte ist das KIT europaweit führend und liefert seine Gyrotrons zum Beispiel an den Versuchsreaktor Wendelstein 7-X in Greifswald und an den internationalen Forschungsreaktor ITER in Frankreich. Gleichzeitig unterhält das KIT den weltweit modernsten Teststand für diese Plasmaheizung.
Doch das Sonnenfeuer im Innern eines Kraftwerks verlangt auch nach speziellen Materialien. Diese müssen nicht nur der enormen Hitze und hochenergetischen Neutronen standhalten, sondern auch verhindern, dass Radioaktivität aus der Plasmakammer entweicht. Die Forschungen dazu konzentriert das KIT an seinem Fusionsmateriallabor FML, in dem vor allem die Zuverlässigkeit von Materialien erprobt und verbessert wird. „Dieses Wissen ist zum Beispiel notwendig für Maschinenbauer:innen, die Kraftwerkkonzepte und -designs entwerfen“, erklärt Kirchlechner.
Als besonders vielversprechendes Material hat sich der Stahl Eurofer 97 erwiesen, den das KIT gemeinsam mit europäischen Partnern eigens für Fusionskraftwerke entwickelt hat. Das Grundprodukt stammt aus den 1990er Jahren und wird seitdem kontinuierlich optimiert. Eurofer sei ein „geniales Material“, so Kirchlechner, denn es ist besonders robust, gleichzeitig lässt sich der Stahl 300 Jahren nach seinem Einsatz vollständig recyceln. „Seine Radioaktivität ist dann so weit gesunken, dass man es bedenkenlos in den Wertstoffkreislauf zurückführen kann.“
Diese besonderen Eigenschaften von Eurofer – seine Zuverlässigkeit und die geringe Neigung, langlebige Radioisotope zu bilden – seien ihm auch persönlich sehr wichtig gewesen, erklärt der KIT-Experte: Andernfalls hätte er sich vor sechs Jahren wohl nicht begonnen, sich in der Fusion zu engagieren. „Ich möchte an Technologien arbeiten, für die ich mich auch vor künftigen Generationen rechtfertigen kann.“
Für den wirtschaftlichen Betrieb eines Fusionskraftwerks muss nun auch ein besonderes robustes Material – zum Beispiel auf Basis von Eurofer – entwickelt werden, damit Komponenten in der Plasmakammern selten gewechselt werden müssen, idealerweise nur alle fünf bis sechs Jahre.
Damit dieser Schritt gelingt, brauche es aber auch immer komplexere Forschungsanlagen, erklärt der Experte. In der Materialforschung etwa haben europäische und japanische Fusionswissenschaftler:innen schon vor Jahren ein gemeinsames Großgerät vorgeschlagen: IFMIF-DONES (International Fusion Materials Irradiation Facility – DEMO-Oriented Neutron Source). Diese Forschungsanlage soll in großem Stil Neutronen erzeugen und damit Materialien bestrahlen – so wie es im Innern von Fusionsreaktoren geschieht.
Derzeit wird IFMIF-DONES im spanischen Granada gebaut. Bald, so der Wunsch der heimischen Fusions-Community, wird auch Deutschland diesem Konsortium beitreten und damit die Zukunft der Fusionsmaterialforschung entscheidend mitgestalten. Auch Christoph Kirchlechner hofft auf einen entsprechenden Beschluss. Denn bis das erste Kraftwerk läuft, ist keine Zeit zu verlieren.
Was ist Kernfusion?
Welche Kraft in der Kernfusion steckt erleben wir tagtäglich, wenn die Sonne aufgeht: Über 150 Millionen Kilometer hinweg erhellt und wärmt sie unseren Planeten. Dafür sorgen die Fusionsreaktionen, die permanent in ihrem Innern ablaufen. Dabei treffen zwei Atomkerne aufeinander, verschmelzen und setzen dabei große Mengen an Energie frei.
Dieses Prinzip will die Fusionsforschung auf der Erde nutzbar machen. Doch dazu muss sie Bedingungen schaffen, die jenen in der Sonne zumindest ähneln. Dort verschmelzen Wasserstoffatome zu Helium – angeregt durch die enorme Hitze und den extrem hohen Druck im Innern der Sonne. Einen so starken Druck können wir auf der Erde nicht erzeugen, weshalb in terrestrischen Anlagen die Temperatur umso höher sein muss: mindestens 150 Millionen Grad.
Damit unterscheiden sich Fusionsreaktoren grundsätzlich von Atomkraftwerken: In diesen werden Atomkerne gespalten.
Was unterscheidet Magnet- und Laserfusion?
Das Plasma im Innern von Fusionskraftwerken ist so heiß, dass es die Wände der Plasmakammer nicht berühren darf – andernfalls würde es zu stark abkühlen und die Fusionsreaktion käme zum Erliegen. Bei der Magnetfusion schwebt das Plasma deshalb berührungslos im Innern des Reaktors. Dafür sorgen starke Magnetfelder.
Bei der Laserfusion wird die benötigte Hitze und Dichte dagegen nur punktuell und für Bruchteile von Sekunden erzeugt: Laser schießen dafür starke Lichtblitze auf Kugeln aus gefrorenem Wasserstoff. Einige Nanosekunden lang herrschen dann ideale Bedingungen für die Fusion. In einem kommerziellen Kraftwerk würden derartige Reaktionen millionenfach parallel per Laser gezündet.
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