ITER: Internationaler Thermonuklearer Experimenteller Reaktor

CERN – Ein Name, der für medial aufgebauschten Schrecken, aber auch unendlichen Forscherdrang steht. Mit dem Teilchenbeschleuniger LHC im Forschungszentrum CERN startete Ende letzten Jahres das bisher komplexeste und größte wissenschaftliche Experiment der Menschheit: in einem 27 Kilometer langen, unterirdischen Vakuum-Ring in der Schweiz werden Protonen auf 99,9999991 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, um sie dann aufeinander prallen zu lassen. Beim Zusammenstoß entstehen Kräfte, wie sie zuletzt zum Zeitpunkt der Singularität, also beim Urknall, auftraten. Man erhofft sich durch die gigantischen Datenmengen, die dabei entstehen, Rückschlüsse auf den Beginn und Aufbau unseres gesamten Universums; nicht zuletzt durch die eventuelle Entdeckung neuer Teilchen, die letztendlich die Quanten- und/oder Stringtheorie bestätigen oder vereinen könnten.

Doch CERN ist nur eines von mehreren utopisch anmutenden, Star Trek-ähnlichen Vorhaben, an denen die heutigen Zivilisationen vereint arbeiten, es gibt weitere: wie zum Beispiel ITER, den Internationalen Thermonuklearen Experimentellen Reaktor.

Sternenfeuer in Südfrankreich

Im Forschungszentrum Cadarache im Süden Frankreichs entsteht derzeit für 10 Milliarden Euro im Laufe von vielen Jahren der erste große Kernfusionsreaktor der Welt. Dieser wird im wahrsten Sinne des Wortes das Sternenfeuer auf die Erde bringen und damit die Welt, wie wir sie kennen und schätzen, nachträglich verändern. Er könnte gar dazu führen, dass für die gesamte Menschheit ein komplett neues Zeitalter anbricht. Am Bau des Megaprojektes sind unter anderem die 33 Bevölkerungsreichsten Nationen beteiligt, darunter China, Russland, die USA, Japan und Südkorea. Und natürlich die Europäische Union.

Was ist Kernfusion?

Nun, einfach gesagt: Die vielversprechendste Energiequelle auf Erden, eine Lebensversicherung für Generationen. Nehmen wir das Beispiel unserer Sonne: Eine einfache Reaktion, die Verschmelzung von Wasserstoffatomen zu Helium, lässt diesen Stern bereits seit Milliarden Jahren brennen – und wird dies auch noch mindestens weitere 500 Millionen Jahre tun. Im Detail passiert während der Kernfusion in den Sternen folgendes:

Zwei sich normalerweise abstoßende Wasserstoffatome werden durch den massiven Einsatz von Energie miteinander verschmolzen, es entsteht Helium. Dieses Prinzip lässt alle Sterne und Supernoven dieses Universums leuchten. Darauf basiert die Idee des Fusionsreaktors. Man möchte meinen, dabei gelte einfach “1 + 1 = 2” – doch nicht in diesem Fall: Es kommt eher etwas wie “1,9” heraus, Materie verschwindet quasi. Die fehlende Materie wird während der Kernfusion in pure Energie umgewandelt. In Unvorstellbar viel Energie. CERN basiert auf einem ähnlichen Vorgang, wurde aber komplett auf Teilchenforschung ausgelegt. Ein dauerhafter Betrieb eines Kraftwerks ist auf diese Weise nicht möglich.

Die Hölle in der Gotteskammer

Nun gut, wir sind hier alle überzeugte Atheisten – doch der Vorgang im Herzen des Fusionsreaktors hat etwas göttliches an sich. Der Reaktor funktioniert – enorm vereinfacht – wie folgt: Im Inneren befindet sich ein rotierender Plasmaring, in dem es laufend zur Kernfusion kommt. Dieser besitzt eine gesamte Masse von gerade einmal 0,5 Gramm. Während der Fusion entstehen Temperaturen von bis zu 100 Millionen Grad Celsius – 10 Mal heißer als im Inneren der Sonne. Und parallel dazu eine Dichte von – ebenfalls 100 Millionen – Bar. Damit dieser unvorstellbar heiße Ring den Reaktor nicht binnen weniger Sekunden verdampfen lässt, wird er durch ein künstliches Magnetfeld in der Waage gehalten – dieses ist 100.000 Mal stärker als das natürliche Magnetfeld der Erde und wird durch supraleitende, auf Minus 270 Grad gekühlte Spulen erzeugt. Es presst den Sternenfeuer-Ring zu einem Schlauch zusammen, der – verständlicherweise – nirgendwo den Rand des Reaktors berühren darf. Sonst würde die Kernfusion stoppen und das Feuer somit einfach verlöschen. Die benötigte Energie zum Betrieb beträgt in ITERs Fall 50 Megawatt. Die Energie, die hinterher herauskommen wird: 500 Megawatt; In Form von Neutronen- und Gammastrahlung. Das mag noch nicht besonders viel sein, allerdings wird ITER eben ein Versuchsreaktor, der beweisen soll, dass Kernfusion im großen Stil möglich ist.

Der Start: Wie werden 100 Millionen Grad erzeugt?

Wir wissen nun also, das während des Betriebs im inneren des Reaktors eine Temperatur von 100 Millionen Grad Celsius herrscht. Doch um die Kernfusion überhaupt starten zu können, muss diese Temperatur Anfangs künstlich erzeugt werden. Die tauglichste der bisher gefundenen Technologien besteht im massiven Bündeln von Mikrowellen, um diese anschließend mit geballter Kraft in den Reaktor zu lenken. Durch diese Energie soll das Sonnenfeuer entfacht werden. In den USA wird an einem ähnlichen Projekt gearbeitet, nur wird anstatt von Mikrowellen der stärkste jemals auf Erden gebaute Laser verwendet.

Unter anderem zum Testen dieser Mikrowellen-Strahlung wird seit vielen Jahren in der Forschungsanlage “Wendelstein 7-X” in Greifwald an einer kleinen Version eines Fusionsreaktors gebaut. Dieser im Jahr 2014 in Betrieb gehende Reaktor dient hauptsächlich zur Material- und Technologieforschung für ITER, schließlich müssen neuartige Materialkombinationen gefunden werden, die dauerhaft Temperaturen von 100 Millionen Grad aushalten. Doch schon dieser kleine Bruder von ITER weiß zu Beeindrucken: Allein zur Berechnung der komplexen Form der Brennkammer haben die leistungsfähigsten verfügbaren Superrechner 10 Jahre benötigt. Die Leistung der Mikrowellen, die die Zündung der Test-Fusion starten wird, entspricht der Leistung von 100.000 durchschnittlichen Haushalts-Mikrowellen.

Rohstoffverbrauch: Deuterium und Tritium

Fusionsreaktoren arbeiten mit der Verschmelzung von Deuterium und Tritium. Das natürliche Vorkommen von Deuterium wird auf der Erde auf 100 Millionen Tonnen geschätzt, das von Tritium hingegen auf nur wenige kleine Spuren. Allerdings entsteht Tritium im Reaktor aus der Erbrütung von Lithium, welches wiederum in Mengen vorkommt. Tritium entsteht also quasi als Abfallprodukt seiner eigenen Reaktion mit Deuterium – einmal in Gang gesetzt würde sich die Frage nach den Tritium-Vorkommen also von selbst beantworten, das Wenige, das auf der Erde vorkommt, würden für Jahrtausende reichen. Um den gesamten Rohstoffverbrauch zu verbildlichen hier nun ein Vergleich: 1 Gramm Brennstoff im Fusionsreaktor erzeugt genauso viel Energie wie die herkömmliche Verbrennung von acht Tonnen Öl oder elf Tonnen Kohle (!).

Rohstoffverbrauch: Deuterium und Helium-3

Alternativ wird der Betrieb durch Fusion von Deuterium und Helium-3 bzw. Helium-3 und Helium-3 in Betracht gezogen. Die Atomkerne des Isotops Helium-3 bestehen lediglich aus zwei Protonen und einem Neutron, sie besitzen damit ein Neutron weniger als gewöhnliches Helium. Dieses Manko macht Helium-3 zu einem interessanten Ausgangsstoff für die Energieerzeugung, denn die Kernverschmelzung von Helium-3 mit Deuterium zu gewöhnlichem Helium-4 setzt noch mehr Energie als die Verschmelzung von Deuterium und Tritium frei. Diese Reaktion würde absolut keine radioaktive Strahlung erzeugen, wäre also die sauberste Variante des sauberen Fusionskraftwerks. Eine grundsätzliche Schwierigkeit liegt allerdings in der Verfügbarkeit von Helium-3, das auf der Erde nur in geringer Menge vorhanden ist. Größere Mengen Helium-3sind in Mondgestein nachgewiesen worden. Für eine mögliche Gewinnung auf dem Mond und Transport zur Erde müsste die sichere technische Machbarkeit nachgewiesen und das Kosten-Nutzen-Verhältnis abgewogen werden. Aber das ist nun wirklich noch Utopie.

Droht der Erde der Kollaps?

Bleibt die Frage, womit ein Fusionsreaktor betrieben wird und ob wir uns damit nicht unser eigenes Todesurteil unterschreiben? Zumindest zu Letzterem gibt es eine klare Antwort: Nein. Es gibt in einem Fusionsreaktor keine Reaktion, die wie in einer Wasserstoffbombe außer Kontrolle geraten kann. Sie würde einfach aufhören. Die weiteren Vorteile eines Fusionsreaktors liegen auf der Hand: Tritium ist nur leicht radioaktiv (Uran ist dagegen pures Gift) und wird zum weiteren Betrieb benötigt, es entstehen somit keine eigentlichen radioaktiven Abfälle. Zum Betrieb werden keine fossilen Brennstoffe benötigt, das ganze Kraftwerk bleibt CO2-Neutral.

Perspektiven

Wenn alles glatt läuft, steht der Inbetriebnahme im Jahre 2026 nichts im Wege. Und sollte ITER dann reibungslos funktionieren, bricht ein neues Zeitalter an: Theoretisch ist es möglich, Fusionsreaktoren mit einer Leistung von tausenden Megawatt zu bauen, sämtliche energetischen Probleme der Menschheit wären binnen weniger Jahre Vergangenheit, und das, ohne die Natur weiterhin zu belasten. Es wird geschätzt, dass etwa ab 2045-2050 die weltweit ersten kommerziellen Fusionsreaktoren gebaut werden, die unendlich Energie in großen Mengen produzieren werden. Fusionskraft könnte bereits im Jahr 2100 etwa 20 bis 30 Prozent des europäischen Strombedarfs decken. Das wirst du, der du diesen Artikel gerade durchgelesen hast, allerdings nicht mehr miterleben – voraussichtlich.

[DOKU] – Kernfusion – Der Traum von der Sonnenenergie

Weitere Infos: Links & Downloads

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik – Kernfusion – Stand und Perspektiven ( 0,37 MB )

Wikipedia: ITER

Wikipedia: Kernfusionsreaktor