Plasma
Im AsdexUpgrade in Garching erforschen Wissenschaftler, wie man ein Fusionsfeuer dauerhaft brennen lässt. In künftigen Anlagen sollen bis zu 200 Millionen Grad Celsius herrschen – viel heißer als die Sonne. © Volker Rohde/MPI
Mit der Kernfusion wollen Physiker eine eigene Sonne auf der Erde schaffen. Das Versprechen: Klimaneutraler Strom, 24 Stunden am Tag. Das will auch die Politik nutzen: In Bayern soll das erste Fusionskraftwerk der Welt ans Netz gehen, der neue Testreaktor Alpha hat 400 Millionen Euro Förderung vom Freistaat in Aussicht. Doch wie weit ist man nach 70 Jahren Forschung – und wie kontrolliert man den heißesten Ort im Sonnensystem? Das erklärt Tim Happel, Leiter der Plasmadynamik am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching.
Herr Happel, wofür brauchen wir die Kernfusion?
Windkraft und Photovoltaik sind wertvolle Technologien, können aber nicht rund um die Uhr ausreichend Strom liefern. Gaskraftwerke kann man zwar auf Wasserstoff umstellen, aber auch den werden wir zu großen Teilen importieren müssen. Die Kernfusion könnte in Zukunft gesicherte Leistung liefern – und das mit sehr kleinen Brennstoffmengen.
Wie funktioniert sie?
Wir wollen die Sonne imitieren: Hier verschmelzen bei 15 Millionen Grad Celsius Wasserstoffkerne zu Heliumkernen. Dabei setzen sie jene Energie frei, die auch die Erde wärmt. Hier unten ist das schwieriger: Uns fehlt die große Masse der Sonne und damit auch der enorme Druck. Deshalb entwickeln wir ein abgewandeltes Verfahren, das allerdings bei 100 bis 200 Millionen Grad Celsius abläuft.
Wie erzeugt man so viel Hitze?
Das schaffen wir mit Mikrowellenheizungen und Neutralteilchenbeschleunigern. Dabei entsteht ein Plasma – der vierte Aggregatzustand der Materie. Aus der Schule kennen wir fest, flüssig und gasförmig. Wenn man ein Gas weiter erhitzt, lösen sich die Elektronen von den Atomkernen und wir bekommen einen superheißen Cocktail aus geladenen Teilchen. In einem solchen Plasma wollen wir künftig durch Fusion von Wasserstoffkernen nutzbare Energie erzeugen.
Wie halten Sie die Hitze unter Kontrolle?
Wir schließen das Plasma in einen Käfig aus starken Magnetfeldern ein und zwingen es in die Form eines Torus, oder – wenn Sie so wollen – eines Donuts. Dadurch verhindern wir, dass die extrem heißen Teile des Plasmas mit der Wand unserer Anlage in Berührung kommen.
Und wie entsteht der Strom?
Bei unserer Fusionsreaktion entstehen einerseits Heliumkerne und andererseits sehr schnelle Neutronen, die mit etwa 180 Millionen km/h aus dem Plasma herausfliegen und auf die Innenwand des Plasmabehälters treffen. Durch die Bewegungsenergie erhitzt sich die Wand und heizt wiederum Wasser in einem Dampfkreislauf. Man erzeugt also Strom wie in Kohlekraftwerken mit einer Dampfturbine.
Bisher ist das noch niemandem gelungen. Weshalb?
Bislang können wir noch kein Plasma-Feuer erzeugen, das netto Energie erzeugt. Das Problem ist, dass alle bisherigen Anlagen zu klein waren: Je größer das Plasma ist, desto besser kann es die Hitze halten. Und das ist nötig, damit die Fusion aus eigener Kraft weiterlaufen kann.
Warum baut man nicht gleich größere Reaktoren?
Weil die Komplexität schneller wächst als die Größe der Reaktoren. Die Wissenschaft verfolgt deshalb einen Stufenplan mit immer größeren Projekten, an denen wir die Grundlagen erforschen.
Welchen Brennstoff nutzen Sie?
Wir wollen die Wasserstoff-Isotope Tritium und Deuterium verschmelzen. Deuterium lässt sich relativ leicht aus Meerwasser gewinnen. Tritium aber kommt auf der Erde kaum vor. Deshalb wollen wir die Innenwand von Fusionskraftwerken mit Brutdecken aus Lithium ummanteln. Treffen die Fusionsneutronen dort auf, wird Lithium zu Tritium umgewandelt. Das Faszinierende: Ein Gramm Brennstoff kann so viel Energie freisetzen wie 10 Tonnen Kohle.
Hat Kernfusion die gleichen Risiken wie bekannte Kernspaltung?
Nein, die Risiken sind nicht vergleichbar. In Kernkraftwerken moderiert man die Spaltung von Urankernen, bei der starke radioaktive Strahlung frei wird. Gerät dieser Prozess durch einen Fehler außer Kontrolle, kommt es zu einer unkontrollierten Kettenreaktion. Das ist bei der Kernfusion unmöglich. Geht etwas schief, erlischt das Plasma sofort. Ein Fusionskraftwerk erzeugt zwar auch radioaktiven Abfall, weil die energiereichen Neutronen Wände des Plasmagefäßes aktivieren. Es handelt sich dabei aber um schwach- und mittelradioaktive Materialien.
Woran arbeiten Sie hier in München?
In Garching betreiben wir die Großforschungsanlage Asdex Upgrade vom Typ Tokamak. ASDEX Upgrade selbst kann keine Energie erzeugen. Mit ihm und seinen Vorgängern wurden aber wesentliche Technologien für Kraftwerke entwickelt: Zum einen ist das der Divertor, eine Art Aschenbecher für das brennende Plasma. Der Divertor saugt das Fusionsprodukt Helium aus dem Plasma. Eine zweite Innovation aus Garching ist die Wolframwand. Wolfram ist sehr widerstandsfähig, weshalb bei großer Hitzebelastung nur wenige Teilchen erodieren und das Plasma verunreinigen.
Wie weit ist die Forschung?
In den vergangenen zehn Jahren gab es wichtige Meilensteine, die global zur Gründung von über 40 Start-ups geführt haben. Dadurch kommt viel Risiko-Kapital in die Branche, was die Entwicklung beschleunigen könnte. Experimente der nächsten Generation entstehen gerade unter anderem in den USA und China. Eine vielversprechende Anlage sehen wir in Südfrankreich: Dort bauen 35 Staaten gemeinsam den Tokamak ITER. Der hat das Ziel, 10-mal mehr Energie freizusetzen, als an Heizenergie ins Plasma gegeben wird. Das wäre der Beweis, dass die Kernfusion nutzbare Energie erzeugen kann. Die Anlage soll bis 2036 in Betrieb gehen.
In Garching soll es schon 2033 einen neuen Reaktor geben – den Alpha.
Dabei geht es um den Typ Stellarator, der für die Stromerzeugung besser geeignet ist. Stellaratoren können im Dauerbetrieb arbeiten, während Tokamaks zwischendurch eine Pause von etwa 15 Minuten brauchen werden. Mit unserem Experiment Wendelstein 7-X am Standort Greifswald sind wir bei Stellaratoren weltweit führend. Darauf aufbauend haben ehemalige Mitarbeiter unseres Instituts die Firma Proxima Fusion gegründet, die nun in Kooperation mit uns Alpha in Garching bauen wollen. Sowohl ITER als auch Alpha wären die letzten Schritte vor einem kommerziellen Kraftwerk am Netz.
Könnte das die Lösung aller unserer Energieprobleme sein?
In den kommenden 20 Jahren wird die Kernfusion keinen nennenswerten Beitrag leisten können. Deshalb müssen wir heute Windräder, PV-Anlagen und Batteriespeicher bauen. Aber durch die Elektrifizierung und durch den vermehrten Einsatz von künstlicher Intelligenz wird der Bedarf an Strom weiter deutlich steigen. In der zweiten Hälfte des Jahrhunderts werden wir dann sehr wahrscheinlich alle klimaneutralen Energieträger brauchen, die uns zur Verfügung stehen.