Kernfusion: Von der Fiction zur Fusion

Am 26. Mai wird mit der Vertragsunterzeichnung der beteiligten Nationen in Brüssel der Startschuss für den Bau der Kernfusionsanlage ITER im südfranzösischen Cadarache abgegeben. Um das Jahr 2040 könnte erstmals Fusionsstrom durch die Netze fließen – glauben die Forscher.

Noch ist der Bauplatz ein wildes Waldstück nahe Cadarache in Südfrankreich, unweit des dortigen Nuklearforschungszentrums CEA der französischen Atombehörde. Hier also, auf einem etwa 800 mal 500 Meter großen Areal, soll ab dem Jahr 2008 die Kernfusionsversuchsanlage ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) entstehen, das derzeit wohl ambitionierteste Forschungsvorhaben in Europa. Eigentlich war das Projekt nach 15-jähriger Vorbereitung bereits im Jahr 2000 entscheidungsreif, aber politische Querelen zwischen den USA und Japan einerseits und den Europäern und China andererseits verzögerten die Bauentscheidung jahrelang. Die von George W. Bush geführte US-Regierung wollte, dass das Projekt in Japan realisiert wird, doch die Europäer waren dagegen.

Erst nachdem die EU gedroht hatte, ITER notfalls in Eigenregie zu errichten, kam Bewegung in die Sache. Mit dem Zugeständnis, dass Japan einen Teil der Materialforschung bekommen soll, kamen schließlich am 28. Juni des Vorjahrs alle sieben beteiligten Nationen (EU, USA, Japan, China, Russland, Indien und Südkorea) überein, dass die weltweit erste Kernfusionsversuchsanlage von den Ausmaßen eines späteren kommerziellen Reaktors im südfranzösischen Cadarache errichtet werden soll. Am 26. Mai werden sich Vertreter der an dem Projekt beteiligten Nationen in Brüssel treffen, um das Abkommen zur Errichtung des ITER zu unterzeichnen. An den Errichtungs- und Betriebskosten von derzeit veranschlagten 9,6 Milliarden Euro wird sich die EU mit 40 Prozent beteiligen.

Diese Beteiligung beschäftigte in der vorvergangenen Woche auch Österreichs Innenpolitik. Die Oppositionsparteien SPÖ und Grüne warfen der schwarz-orangen Regierung vor, die EU-Ratspräsidentschaft nicht nur nicht dazu genutzt zu haben, um eine konsequente Anti-Atomkraftpolitik zu betreiben, sondern es im Gegenteil zugelassen zu haben, dass die für Euratom, den Atomforschungsarm der EU, bereitzustellenden Mittel verdreifacht wurden. Grünen-Chef Alexander Van der Bellen sprach von einem „Unfug ersten Ranges“ und von einem „Höhepunkt der Scheinheiligkeit“. Die Regierungsparteien verteidigten sich damit, dass ein Großteil der Mittel in die Fusionsforschung und der Rest in die Sicherheit bestehender Atommeiler fließe.

Diese von der Regierung vorgebrachte Aussage entspreche auch den Tatsachen, sagt Hannspeter Winter, Vorstand des Instituts für Allgemeine Physik an der Technischen Universität Wien sowie Chef der Assoziation Euratom-ÖAW, das ist der innerhalb der Österreichischen Akademie der Wissenschaften bestehende österreichische Forschungsarm von Euratom. „Dass Euratom die Kernspaltungsenergie fördert, die in Österreich gesetzlich verboten ist, ist eine der großen Fehlinformationen in der österreichischen Öffentlichkeit“, sagt Winter. Nachdem die Beschlüsse bei Euratom einstimmig gefasst werden müssen, wäre es dort gar nicht möglich, die Finanzierung von Aktivitäten zu beschließen, die Länder wie Österreich und andere nicht mittragen wollten.

Irritationen. Die Irritationen entstanden, weil der EU-Kommissar für Wissenschaft, Janez Potocnik, gegenüber dem „Kurier“ erklärt hatte, dass ein kleiner Teil des Euratom-Budgets in die Sicherheitsforschung im Bereich der so genannten vierten AKW-Generation fließe, das sind neuartige, technisch schwierige Reaktoren, die derzeit entwickelt werden. „Aber das sind Dinge, die nicht im Rahmen von Euratom gemacht werden, sondern in bilateralen oder multilateralen Vereinbarungen“, sagt Winter. Jedenfalls sind im Rahmenprogramm von Euratom, das für einen Zeitraum von fünf Jahren (2007–2011) gilt und mit 4,1 Milliarden Euro dotiert ist, erstmals Mittel für die Kernfusion in Höhe von 2,9 Milliarden Euro enthalten, was zur Verdreifachung der Euratom-Mittel geführt hat.

Sobald die am ITER-Projekt beteiligten Nationen das Abkommen unterzeichnet haben, können die Planung und das Genehmigungsverfahren beginnen. Frankreich, das rund 80 Prozent seiner elektrischen Energie aus Kernreaktoren gewinnt, ist bei solchen Genehmigungsverfahren geübter als Nationen, in denen die friedliche Nutzung der Atomenergie eine geringere Rolle spielt oder gar verteufelt wird. Daher rechnen Experten damit, dass der Bau der Anlage im Jahr 2008 starten kann. Etwa 2000 Beschäftigte werden an den Bauarbeiten beteiligt sein. Bei einer veranschlagten Bauzeit von acht Jahren könnte ITER im Jahr 2016 den Forschungsbetrieb aufnehmen.

Geplant ist eine Laufzeit von 20 Jahren. Allerdings denken die beteiligten Forscher nicht an einen durchgehenden Fusionsbetrieb. Der Fusionsprozess soll anhand verschieden langer Pulse, die zwischen fünf Minuten und einer Stunde lang dauern können, erprobt und erforscht werden. Insgesamt rechnet Karl Lackner, einer von zwei Direktoren des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Garching bei München, mit einer reinen Fusionszeit von ein bis zwei Jahren während der Gesamtbetriebsdauer von 20 Jahren. „Es passiert, und es wird funktionieren“, sagt Lackner.

ITER soll erstmals zeigen, dass in einer Fusionsanlage von den Ausmaßen eines späteren kommerziell betriebenen Fusionsreaktors – der eigentliche Reaktorteil ist etwa 30 Meter hoch und ebenso breit und würde genau in einen Wiener Gasometer passen –  wirtschaftlich nutzbare Energieerzeugung machbar ist. Die Anlage soll zehnmal so viel Energie erzeugen, wie für den Start der Kernfusion erforderlich ist. Die an dem Projekt beteiligten Forscher haben keinen Zweifel, dass das gelingen wird. Skeptiker wie der grüne Europa-Abgeordnete Johannes Voggenhuber glauben hingegen bis heute nicht daran und halten das ganze Projekt für eine teure Fehlinvestition (siehe Interview auf Seite 118).

In der Tat ist die Kernfusionsforschung einen weiten Weg (lateinisch: iter) gegangen, seit die Technik-Zeitschrift „Hobby“ in der Aufbruchsstimmung der fünfziger Jahre von einer Kernfusion träumte, die alle Energieprobleme der Menschheit schlagartig und praktisch zum Nulltarif lösen werde. Die dafür benötigten Rohstoffe – Gestein und Wasser – seien auf der Erde in unerschöpflichem Ausmaß vorhanden. Für die Versorgung eines Haushalts würden jährlich etwa zwei Liter Wasser und ein Kilo Gestein reichen. Ein einziges riesiges Kraftwerk von vielleicht 1000 Meter Länge, so hieß es damals, werde reichen, um die USA mit Energie zu versorgen.

Schwierigkeiten. Doch die hochfliegenden Träume wurden in der Praxis bald auf die Erde zurückgeholt. Die Schwierigkeiten, denen sich die Forscher bei der Erzeugung einer Kernfusion gegenüber sahen, waren dann doch weit größer als zunächst angenommen. Es ist eben keine Kleinigkeit, eine Temperatur von mehreren 100 Millionen Grad zu erzeugen, um in einem Gas von geringer Dichte die Verschmelzung von Wasserstoffatomen herbeizuführen. Und als noch schwieriger erwies sich der Versuch, den Fusionsprozess aufrechtzuerhalten, wenn die Zündung einmal tatsächlich gelungen ist. So hatten die Skeptiker viele Jahre ein leichtes Spiel. Ihre Kritik gipfelte dann in Aussagen wie: „Schon vor 30 Jahren hat es geheißen, in 30 Jahren werde die Kernfusion Realität werden, jetzt sind es wieder 30 Jahre.“ Es gibt für derlei Aussagen bereits eine eigene Bezeichnung: die Fusionskonstante.

Doch in Wahrheit gelangen die entscheidenden Schritte in Richtung Kernfusion rascher, als das bisher in der Öffentlichkeit bekannt war. Nachdem sich der damalige Generalsekretär der KPdSU, Michael Gorbatschow, und der damalige US-Präsident Ronald Reagan im Jahr 1985, am Ende des Kalten Kriegs, darauf verständigt hatten, gemeinsam „etwas ganz Großes“ zu machen, was zwar noch nicht wirtschaftlich verwertbar, aber am Ende für alle von großem Nutzen sein könnte, dauerte es nicht länger als sechs Jahre bis zum ersten großen Schritt in Richtung Kernfusion.

Bereits 1991 gelang in einem Vorläufer des ITER, dem JET (Joint European Torus), einem europäischen Gemeinschaftsexperiment im britischen Culham, zum ersten Mal der Nachweis, dass man in einem Plasma aus Deuterium-Tritium-Fusion so viel Energie erzeugen kann, wie notwendig ist, um das Plasma in diesen Zustand zu bringen. Allerdings ließ sich die Fusion nur eine halbe Sekunde lang aufrechterhalten.

Theoretisch wussten die Forscher zwar bereits seit den fünfziger Jahren, welche Bedingungen das Plasma erfüllen muss, wie heiß es sein und wie lange es eingeschlossen sein muss, damit sich eine Fusion erzeugen lässt, die netto Energie liefert. Aber was die Wissenschafter nicht vorhersahen, war, dass sich das erhitzte Wasserstoffgas anders verhält als ursprünglich angenommen. Zunächst lautete die Überlegung: Wenn man ein Plasma in ein magnetisches Feld einschließt, dann wird es sich mit dem stärker werdenden magnetischen Feld länger aufrechterhalten lassen, wird heißer werden, und so wird die Fusion gelingen.

Instabiles Gebilde. Doch dann zeigte sich, dass das Plasma ein äußerst instabiles Gebilde ist und sich mit den gängigen Methoden gar nicht beschreiben lässt. Es führt ein turbulentes Eigenleben, das die Wissenschafter bis heute noch nicht wirklich beherrschen. Aber sie tasten sich Schritt für Schritt heran, lernen beständig dazu und sind mittlerweile überzeugt, dass sie das heiße, eigenwillige Gas beherrschen können. „Die Fragen der Plasmaphysik sind weit gehend gelöst“, erklärt Tilmann Maerk, Vorstand des Instituts für Ionenphysik an der Universität Innsbruck und Leiter eines Forschungsprojekts, das die Wechselwirkung zwischen dem Plasma und der aus kachelartigen Spezialplatten bestehenden Wand untersucht.

Freilich sind noch viele Fragen offen. Aber, so sagen die beteiligten Forscher, diese Fragen werden sich in einer größeren Anlage leichter lösen lassen als in einer kleinen. So lässt sich beispielsweise der einmal gezündete Fusionsprozess in einer größeren Anlage leichter aufrechterhalten als in einer kleinen. Der JET im britischen Culham hat ein achtmal größeres Volumen als der Fusionsreaktor am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in München-Garching. Und ITER wird mit seinen 800 bis 1000 Kubikmetern über ein nochmals achtmal größeres Volumen verfügen als der JET. Unter den beteiligten Wissenschaftern gibt es auch eine entsprechende Erwartungsbreite, was bei dem Experiment herauskommt. Während der Leiter der österreichischen Forschungsbeteiligung, Hannspeter Winter, mit dem zehnfachen Output der eingesetzten Energie rechnet, erwartet Plasmaforscher Lackner den zwanzigfachen Output.

Zu den offenen Fragen gehört aber noch, welche Materialien den extrem energiereichen Neutronenbeschuss dauerhaft aushalten und dabei möglichst geringe Radioaktivität entwickeln, sodass sie möglichst nach weniger als 100 Jahren wieder gefahrlos angefasst werden können. Sehr wahrscheinlich verfügen die Tiroler Planseewerke oder Böhler-Uddeholm über Spezialmaterialien, die diesen Belastungen widerstehen. Dass diese Materialien halten, was sie versprechen, muss freilich erst im Experiment bewiesen werden. Um das Jahr 2026, so schätzt Lackner, könnte dann mit den Planungen für das ITER-Nachfolgeprojekt DEMO begonnen werden, den ersten kommerziell betriebenen Kernfusionsreaktor. „Um das Jahr 2040 wird dieser Reaktor erstmals elektrischen Strom ins Netz einspeisen“, glaubt der Physiker.

Von Robert Buchacher