Iter: ein Meilenstein auf dem Weg zum Fusionsreaktor

Kurt Appert leitete ins Thema ein, indem er seine Überzeugung ausdrückte, dass sich die Treibhausgasemissionen als das grösste Problem der Menschheit herausstellen werden. Daraus ergebe sich die Konsequenz zum Energiesparen und zum Bereitstellen von CO₂-armen Energiequellen. Vor diesem Hintergrund bezeichnete er die Idee von der Rückkehr zur 2000-Watt-Gesellschaft als den besten Freund der Kernenergie: Beide haben Probleme oder werden Probleme mit der öffentlichen Akzeptanz haben und werden sich so gegenseitig den Ball zuspielen müssen, bis es zu einem Gleichgewicht zwischen Komfort-Anspruch und Atomangst komme.

Grosse Vorteile der Fusionsenergie ...

Nach dieser Einleitung erinnerte Appert an die Motive für die Fusionsforschung: Bei der Verschmelzung von leichten Elementen wird wesentlich mehr Energie frei als bei der Kernspaltung. Die grösste Trefferwahrscheinlichkeit für eine Fusion ergibt sich aus physikalischen Gründen bei der Fusion von schwerem Wasser (Deuterium und Tritium) zu Helium, wobei ein Neutron übrig bleibt, in dem vier Fünftel der freigesetzten Energie steckt (siehe Schema). Vorteilhaft ist, dass die Ausgangsbrennstoffe Deuterium und Lithium (aus dem das Tritium gewonnen wird) wie auch das Fusionsprodukt Helium nicht radioaktiv sind. Zudem stehen Deuterium und Lithium auf der Erde in fast unbeschränkten Mengen zur Verfügung. Das radioaktive Tritium wird laufend im Fusionsreaktor hergestellt und wieder verbrannt, so dass bei der Fusionstechnik keine Transporte von radioaktiven Brennstoffen anfallen. Durch den Neutronenfluss im Reaktor werden hingegen die Reaktorwände mit der Zeit radioaktiv, wobei mit einer geschickten Wahl der Materialien erreicht werden soll, dass am Lebensende einer Fusionsanlage möglichst wenig und schnell abklingende Radioaktivität entsteht. Vorteilhaft ist weiter, dass ein Fusionskraftwerk kein Abschaltproblem kennt, da jede Fehlfunktion der Anlage sofort dazu führen würde, dass die Fusionsreaktionen erlöschen.

... aber hohe Hürden für die technische Nutzung

Leider aber gibt es ein «Anschaltproblem», wie sich Appert ausdrückte. Die einfachste Idee, zur Überwindung der Abstossungskräfte der Kerne einen Beschleuniger einzusetzen, funktioniert nicht, da die Energie des beschleunigten Deuteriums in Stössen mit den Elektronen verloren geht. Nötig ist ein Plasma von 100 Mio. °C: Bei mehr als 10'000 °C stossen die Atome mit immer grösserer Energie zusammen und sie trennen sich von ihren Elektronen. Dieses enorm heisse Plasma darf natürlich nicht mit der Reaktorwand in Kontakt kommen, sondern muss in einem Magnetfeld eingeschlossen werden. Auf diesem Prinzip beruhen die bis heute entwickelten Fusionsreaktoren der beiden Typen Tokamak und Stellarator.
Beim Betrieb der bisherigen Fusionsforschungsanlagen hat sich gezeigt, dass gewisse Erscheinungen in Plasmen viel schwieriger zu verstehen sind, als ursprünglich angenommen. Die tiefe Ursache dafür ist die merkwürdige Eigenschaft der geladenen Plasmateilchen, bei grosser Geschwindigkeit (bzw. Temperatur) weniger oft zusammenzustossen als bei kleiner Geschwindigkeit (oder Temperatur). Dieses Verhalten ist dem von ungeladenen Gasteilchen genau entgegengesetzt. Aus diesem Grund sinkt beispielsweise beim Aufheizen des Plasmas der elektrische Widerstand, was die unangenehme Folge hat, dass der Heizstrom immer weniger heizt, je heisser das Gasgemisch wird. Zudem bewegen sich die Teilchen in einem Plasma nicht unabhängig von einem Stoss zum andern wie in einem normalen Gas, wo sich die Teilchen wie Billard-Kugeln verhalten, sondern beeinflussen sich kollektiv und gegenseitig über grosse Distanz, weil sie mit ihrer Bewegung elektromagnetische Felder erzeugen. Das führt zu Plasmawellen und Turbulenzen verschiedenster Art, die ihrerseits zu stark erhöhter Wärmeleitung führt, die nicht mit der üblichen Theorie der ungeladenen Gase erklärt werden kann.
Trotz allen physikalischen und ingenieurtechnischen Hindernissen ist die Wissenschaft laut Appert in den letzten Jahren stetig fortgeschritten. Dasein Fusionskraftwerk im Prinzip funktionieren kann, wurde erstmals in der europäischen Gemeinschaftsanlage JET (Joint European Toms) in Culham in Grossbritannien nachgewiesen. 1997 gelang es dort, kurzzeitig eine Fusionsleistung von 15 Megawatt zu erzeugen, was mehr als der Hälfte der ins Plasma eingespeisten Heizleistung entsprach.

Iter: der nächste grosse Schritt

Der nächste grosse Schritt in der Fusionsforschung ist der gegenüber JET deutlich grössere Internationale Thermonukleare Experimentaireaktor (Iter, lateinisch «der Weg»). Er soll mit einer Ausnahme alle wissenschaftlichen und technischen Fragen klären, die dem Bau eines nachfolgenden Strom erzeugenden Demonstrationsreaktors noch entgegenstehen. Die Ausnahme betrifft die Entwicklung von Materialien mit besserer Resistenz und geringer Aktivierbarkeit beim Beschuss mit den Fusionsneutronen. Dieser Programmteil ist der noch zu bauenden International Fusion Materials Irradiation Facility (lfmif) übertragen worden.
Am Iter-Programm sind sieben Partner beteiligt, die zusammen mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung repräsentieren: China, die Europäische Atomgemeinschaft (Euratom), Japan, Russland, Südkorea, die USA und seit Dezember 2005 auch Indien. Nach jahrelangen Vorbereitungsarbeiten und politischem Gerangel um den Standort von Iter entschied sich die Staatengemeinschaft im Juni 2005 für Cadarache in Südfrankreich. Die Baukosten belaufen sich auf rund EUR 5 Mrd., verteilt auf 10 Jahre. Appert relativierte diese Summe mit dem Hinweis, dass sie ungefähr den täglichen Ausgaben für den Energiekonsum der Weltbevölkerung entspreche. Der Baubeginn ist für 2006 vorgesehen, die Betriebsaufnahme für 2016. Anschliessend beginnt die etwa 20-jährige Betriebsphase.

An die Grenze zum «Brennen»

Iter soll zunächst während rund 300 Sekunden eine Fusionsleistung von 500 MW erzeugen - zehnmal mehr, als zur Aufheizung des Plasmas benötigt wird. Man hofft jedoch, im Laufe des Betriebs die Fusionsleistung bis zum Erreichen von Reaktorbedingungen steigern zu können. Dieser Zustand, den man «Brennen» nennt, tritt ein, wenn die Fusionsenergie dreissigmal grösser ist als die Heizenergie. Bis dahin sind noch einige technische Herausforderungen zu meistern. Iter ist - wie schon JET - eine Fusionsanlage vom Typ Tokamak. Im Tokamak wird der Magnetfeldkäfig zum einen Teil durch äussere Magnetspulen aufgebaut, die ein ringförmiges Plasmagefäss umschliessen. Der andere Teil des Magnetfelds wird durch einen elektrischen, zeitlich begrenzten Gleichstrom erzeugt, der im Plasma fliesst und von einer Transformatorspule ausgelöst wird. Deswegen arbeitet ein Tokamak nicht kontinuierlich, sondern gepulst.
Da ein Kraftwerk aus technischen Gründen nicht gepulst betrieben werden sollte, hofft man, den Gleichstrom in einer späteren Phase, unter anderem, mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen aufrechterhalten zu können. Diese Art der Plasmaheizung und des Stromtriebs sind eine der Spezialitäten des CRPP in Lausanne. Auf diesem Gebiet wird das CRPP sicher wichtige Beiträge zu Iter liefern. Eine Anlage zum Überprüfen der Höchstfrequenzquellen für Iter ist in Lausanne schon im Bau.
Auch die weltweit grösste Supraleiter-Testanlage des CRPP, die sich am PSI befindet, spielt eine zentrale Rolle für Iter. Hier werden Iter-Leiterproben aus aller Welt getestet und eine weitere Anlage ist in Planung. Inwieweit auch anderes Spezialwissen des CRPP direkt an Iter zum Einsatz kommt, ist gegenwärtig noch genau so offen wie mögliche Beiträge von Schweizer Firmen.

Komplexe technische und organisatorische Aufgabe

Zum Pflichtenheft von Iter gehören das Testen von Reaktorkomponenten und Konzepten zum Brüten von Tritium sowie der Nachweis der Sicherheitseigenschaften eines Fusionsreaktors. Wie Appert darlegte, werden 90% der Komponenten von den sieben Partner fertig angeliefert, was höchste Ansprüche an die Qualitätssicherung stellt. Änderungen, wie sie beim Bau von Iter wohl unvermeidlich auftreten werden, können verschiedene Lieferanten auf mehreren Kontinenten betreffen. Die grösste Herausforderung bei Iter ist nach Meinung Apperts daher die Lösung der organisatorischen Fragen, die höchste technische Hürde für die Fusion die Materialfrage im Programm der lfmif. Gelöst werden müssen aber auch ganz praktische Fragen, wie das Problem der Zugänglichkeit des Reaktors und des Handlings beim Austausch von (radioaktiven) Reaktorkomponenten während der Betriebsphase.

Echter Prototyp frühestens in 50 Jahren

Gemäss der langfristigen Planung sollen auf Iter einmal Demonstrationskraftwerke folgen, die erstmals Strom in nennenswerter Menge produzieren und sich selbst mit Tritium versorgen können. Und danach wäre die Zeit schliesslich reif für kommerzielle Fusionskraftwerke (das Iter-Projekt wird noch keine Auskunft über die Wirtschaftlichkeit von Fusionskraftwerken liefern).
Aus den Darlegungen Apperts ging klar hervor, dass die Fusionstechnologie noch lange nicht für den breiten Einsatz zur Verfügung stehen wird. Mit einem ersten wirklichen Prototyp rechnet er frühestens in 50 Jahren. Angesichts des enormen Potenzials der Fusion und der im Vergleich zum Nutzen geringen Kosten wäre es aber falsch, auf die Entwicklung dieser Technologie zu verzichten. Der lange Zeithorizont bedeute aber, das bis auf Weiteres die Kernenergie einzig in herkömmlichen Fissionskraftwerken und danach vielleicht in Brüterkraftwerken genutzt werden kann - vorausgesetzt, die Bevölkerung akzeptiere diese Technologien.