Langer Weg ins Sonnenfeuer

FUSIONSREAKTOR Laut einer Studie könnte die Kernfusion einen nennenswerten Anteil an der Energieversorgung übernehmen - vorausgesetzt einige fundamentale Probleme werden gelöst.

27. November 2006

Chromglänzendes Metall in bizarr geschwungenen Formen - meterhoch ragt das röhrenförmige Plasmagefäß für die Kernfusion empor, in dem das hoch verdünnte Plasma aus Deuterium und Tritium berührungsfrei in einem starken Magnetfeld eingeschlossen bei 100 Mio. °C brennt.

Nur 0,5 g Plasmamaterial kommen auf 837 m³ Plasmavolumen - im Inneren herrscht beinahe Hochvakuum. Ein Gramm Brennstoff setzt jedoch gut 90.000 kWh Energie frei, die erzeugte Verbrennungswärme von 11 t Kohle ist ausreichend, um 30 Haushalte mit Strom zu versorgen. Die Energiegewinnung aus dem Sonnenfeuer, an der seit langem geforscht wird, nimmt jetzt konkrete Formen an: Der internationale Fusionsreaktor ITER (lat. ‚der Weg’), den die Europäische Union, Russland, China, Japan, die USA und Südkorea im französischen Cadarache errichten werden, soll mit seiner Inbetriebnahme ab 2016 netto mehr Energie liefern, als er zum Betrieb benötigt.

Bei dem nach dem Tokamak-Prinzip arbeitenden Reaktor rechnet man mit einer Energieverstärkung von 10. Das bedeutet, dass zehnmal mehr Energie freigesetzt wird, als zur Plasmaheizung notwendig ist. Der Energieausstoß der rund 4,6 Mrd. € teuren Anlage bewegt sich dabei mit 500 MW schon in den Dimensionen eines herkömmlichen Kraftwerks. Als ‚proof of principle’ soll davon immerhin bereits 1 MW ins öffentliche Netz gehen.

Vor allem ist die Fusion nach derzeitigem Wissen eine katastrophenfreie Technik: Selbst der totale Ausfall der Kühlung bringt den Brennvorgang über Plasmainstabilitäten sofort zum Erlöschen; die Nachwärme in den Wänden reicht nicht aus, um Bauteile stark zu schwächen oder gar zu schmelzen.

Die Hülle bleibt also stets intakt. Und wenn spezielle Materialien mit niedrigem Aktivierungspotenzial sowie effiziente Recyclingverfahren entwickelt werden, wäre nach hundert Jahren Abklingzeit kein Abfall mehr zu isolieren, so das Konzept der Entwickler.

Das gesamte Material könnte dann freigegeben oder in neuen Kraftwerken wieder verwendet werden. Allerdings gilt es noch einige größere technische Probleme zu lösen: bei ITER müssen die Teilchen noch drei- bis viermal schneller sein als bisher, damit sie tief genug in das Plasma eindringen. Dazu will man auf die schwieriger zu handhabenden negativ geladenen Ionen übergehen, die auch bei hohen Geschwindigkeiten von 9.000 km/s gut neutralisierbar sind.

Brenndauer erreicht derzeit lediglich 400 Sekunden

Hochfrequenz-Ionenquellen zur Plasmaheizung, wie sie im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching entwickelt wurden, könnten dies schaffen. Am Konzept von ITER sind zu wesentlichen Teilen Forschungseinrichtungen aus Deutschland beteiligt, etwa in Karlsruhe und Jülich. Dort befasst man sich intensiv mit den Wechselwirkungen zwischen Plasma und Brennkammerwandungen. Auch den Garchinger Physikern gelang die Lösung etlicher Probleme, die den Weg zum Fusionsreaktor bisher zu blockieren drohten. Im Moment beträgt die mögliche Brenndauer eines Reaktors vom Tokamak-Typ nur 400 Sekunden.

Dafür ist er einfacher zu konstruieren, als das Konkurrenzmodell Stellarator, denn das Plasma bildet einen Ring. Es braucht keine komplizierten Magnetfelder, um die heißen Teilchen in seinem Inneren zu fangen. Doch selbst bei ITER muss man zugeben, dass es auf den ersten Blick im realen Kraftwerksbetrieb wenig attraktiv scheint, einen Reaktor alle halbe Stunde für nur 7 Minuten laufen zu lassen. „Wir versuchen, dem Tokamak diese Unsitte noch abzugewöhnen“, zeigt sich Prof. Hartmut Zohm, Leiter des Bereichs Experimentelle Plasmaphysik des IPP, jedoch optimistisch.

Auch sonst sind die Fachleute überzeugt, alle anderen Schwierigkeiten aus dem Weg zu räumen und vor allem, dass mit ITER eine Zündung des Plasmas gelingt. In erster Linie soll mit dem Projekt nachgewiesen werden, dass Kernfusion zur Energiegewinnung überhaupt wirtschaftlich genutzt werden kann.

„Das größere Problem wird darin bestehen, ITER als zuverlässiges Kraftwerk zu betreiben“, glaubt Thomas Hamacher vom IPP. ITER soll außerdem Erfahrungen im Praxisbetrieb liefern, die für einen geplanten nachfolgenden Demonstrationsreaktor (DEMO) notwendig sind, dessen Nettoleistung dann bei 1.000 MWel liegen soll. Im Anschluss daran kann mit einem ersten regulären Fusionskraftwerk ab 2030 bis 2040 gerechnet werden - gibt man sich bei ITER vorsichtig. „Bis zur praxistauglichen Energieversorgung der Zukunft ist es also noch ein langer und schwieriger Weg“, glaubt Hamacher.

Vier alternative Entwürfe für ein Fusionskraftwerk

Bereits heute hat die kürzlich fertig gestellte europäische Kraftwerksstudie ‚European Fusion Power Plant Conceptional Study’ ausgelotet, welche ökonomischen und ökologischen Eigenschaften ein künftiges Fusionskraftwerk erwarten lässt und welche Entwicklungsrichtungen am aussichtsreichsten sind. Insgesamt kommt man dort zu dem Ergebnis, die Fusion könne einen nachhaltigen Beitrag zur europäischen Energieversorgung der Zukunft leisten.

Auf der Grundlage neuester Forschungsergebnisse hat die Studie vier verschieden Entwürfe (A - D) für ein Fusionskraftwerk untersucht. Verglichen mit ITER reichen die Modelle A und B am wenigsten in die Zukunft: Alle vier Modelle besitzen eine realistische elektrische Leistung von etwa 1.500 MW und sind wie ITER vom Bautyp Tokamak.

Die größten Unterschiede betreffen die technischen Varianten eines künftigen

Fusionskraftwerkes: Wie etwa das so genannte Blanket. In dieser inneren Verkleidung des Plasmagefäßes werden die bei der Fusion entstehenden schnellen Neutronen abgebremst. Sie geben ihre gesamte Bewegungsenergie in Form von Wärme an ein Kühlmittel ab und erzeugen außerdem aus Lithium den Brennstoff bestandteil Tritium.

Für diese Aufgaben ist Modell A mit einem Flüssigmetall-Blanket ausgerüstet: Es nutzt ein flüssiges Lithium-Blei-Gemisch zur Tritiumerzeugung, die Fusionswärme wird mit Wasser aufgenommen und weitergeleitet. Dagegen besitzt Modell B ein Kugelbett-Blanket mit Kügelchen aus Lithiumkeramik und Beryllium. Das hier gewählte Kühlmittel Helium erlaubt höhere Temperaturen als Wasser - statt 300 bis zu 500 °C - und damit höhere Wirkungsgrade für die anschließende Stromerzeugung.

Im Unterschied zu A und B gehen das weiter in die Zukunft greifende Modell C und das eher futuristische Modell D von weiteren Fortschritten in der Plasmaphysik aus, die aber in Europa bereits jetzt entwickelt werden: Im ‚Dual Coolant-Blanket’ von Modell C wird die erste Wand mit Helium gekühlt, der Hauptteil der erzeugten Wärme jedoch durch Umwälzung von Flüssigmetall zum Wärmetauscher transportiert.

Einsätze aus Siliziumkarbid isolieren die Struktur vom strömenden Flüssigmetall. Durch die höhere Kühlmitteltemperatur von rund 700 °C kann die Fusionswärme effizienter in Strom umgewandelt werden. Noch fortschrittlicher nutzt Modell D ein sich selbst kühlendes Blanket: Flüssigmetall (bis 1.100 °C) dient sowohl zur Kühlung als auch zur Tritiumerzeugung; die Strukturen bestehen aus Siliziumkarbid.

Zudem nimmt das Plasmavolumen von Modell A bis D um mehr als die Hälfte ab, das heißt die Anlagen können insgesamt kompakter gebaut werden. Für einen wirtschaftlichen Betrieb wird aber eine elektrische Leistung im Gigawatt-Bereich notwendig sein. Entsprechend lassen die vier Kraftwerksmodelle unterschiedliche Strompreise erwarten: Modell A führt zu den höchsten Stromkosten, gefolgt von Modell B und C. Das avantgardistische Modell D hat die niedrigsten Kosten.

Schwierig bei der Renaissance von Kernkraft und Kohle

Die Varianten B und C wären jedoch mit Stromgestehungskosten von 5 bis 10 Ct/kWh wettbewerbsfähig, haben die Fachleute vom IPP errechnet, und würden dem anderer umweltfreundlicher Energietechniken aus Wind- und Solarkraftwerken entsprechen. Vor allem hätte die Kernfusion geringe externe Kosten - sprich vor allem Brennstoffkosten - schildert Hamcher, der die Energieversorgung der Zukunft untersucht hat.

Der Energieexperte glaubt, dass die Fusion im Strommix der Zukunft einen Anteil zwischen 10 und 20 %, maximal 30 % ausmachen könnte und die erneuerbaren Energien eher ergänzen würden, statt miteinander zu konkurrieren. Schwierig für die Sonnenreaktoren würde es eher, wenn die Kernkraft hierzulande eine neue Chance erhielte oder der Kohle wieder Vorrang eingeräumt würde.

„Vor allem, wenn die CO2-Verminderung weiter ernst genommen wird, hat die Fusion eine gute Chance“, ist Hamacher überzeugt. Ein generelles Energie-Heilmittel sei die Kernfusion jedoch nicht: „Man sollte generell davon Abschied nehmen, dass eine Technologie alles übernehmen kann“, so der Experte.

Experiment East

China erzeugt Plasma

Mit der Erzeugung des ersten Plasmas ging Ende September 2006 das neue Fusionsexperiment Chinas, der ‚Experimental Advanced Superconducting Tokamak’ EAST im Institut für Plasmaphysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Hefei in Betrieb. Bei EAST wird das Plasma in einem durch supraleitende Spulen hergestellten Magnetfeld eingeschlossen. Auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt, verbrauchen die Spulen beim Betrieb fast keine Energie.

Erschienen in Ausgabe: 12/2006