12.10.1970

FORSCHUNG / KERNFUSIONGelee im Netz

Dr. Glenn T. Seaborg, Chef der amerikanischen Atomenergie-Kommission, sieht ein modernes Schlaraffenland voraus. Es liegt hinter einem Berg wissenschaftlicher und technischer Probleme, der schon angebohrt ist.
Der Mensch muß nur noch jenen physikalischen Prozeß beherrschen lernen, der die Sonne zum Strahlen bringt. Dann, so Seaborg, wird er so viel Wärme freisetzen und so viel elektrischen Strom erzeugen können, "als gäbe es auf der Erde 500 Ozeane voller Erdöl".
Um die schier unerschöpfliche Energiequelle zu erschließen, arbeiten zweitausend Physiker in aller Welt zusammen -- Sowjets und Amerikaner, Japaner und Europäer. Insgesamt wird auf dieses Projekt derzeit jährlich eine halbe Milliarde Mark verwendet.
Die Forschungsprogramme werden bald noch erweitert, die Investitionen drastisch erhöht werden müssen. Denn in wenigen Generationen könnte der Fortschritt der Zivilisation davon abhängen, ob es gelingt, Sonnenglut auf der Erde anzufachen: durch Kernfusion, die kontrollierte Verschmelzung von Atomkernen in einem Reaktor.
"Perhapsatron" -- Vielleichtmaschine -- hatten US-Wissenschaftler vor zwei Jahrzehnten selbstironisch eines ihrer Urmodelle für einen solchen Reaktor genannt. Nun aber geben sich die Fusionsforscher erfolgssicher.
"Zum erstenmal", erklärte Dr. Hermann Jordan, derzeit Team-Leiter am Institut für Plasmaphysik der Kernforschungsanlage Jülich, "stimmen jetzt "die Ergebnisse der Experimente weitgehend mit der Theorie überein." Erstmals auch können die Kernphysiker die künftige Entwicklung ihrer Untersuchungen abschätzen:
* Ein Sonnenofen von Laborformat wird bis Mitte dieses Jahrzehnts gezündet werden können.
* Ein Fusions-Versuchsreaktor, der schon mehr Energie liefert, als er verbraucht, ist für "das kommende Jahrzehnt zu erwarten.
* Einen Fusions-Leistungsreaktor schließlich, der mehr und wahrscheinlich billigeren Strom als herkömmliche Kraftwerke erzeugt, so sagt wie Jordan der US-Physiker Harold P. Furth voraus, "können wir Ende des Jahrhunderts haben". Die Technologie künftiger Fusionsreaktoren stand auf dem Programm, als sich Ende letzten Monats 150 Fachleute aus fast allen größeren Plasmaphysik-Laboratorien der Welt zu einem Symposion in Jülich und Aachen trafen. Jülich ist neben einem ähnlichen Institut in München-Garching das Zentrum der "bundesdeutschen Fusionsforschung; und gegenwärtig wird dort eine Versuchsserie vorbereitet, die mit zukunftsweisenden Experimenten in der Sowjet-Union und in den USA konkurrieren soll.
Als denkbar, aber kaum realisierbar war es lange Zeit erschienen, atomare Energien nicht durch Spaltung, sondern durch Verschmelzung von Atomkernen gesteuert und kontinuierlich freizusetzen.
Wohl gelang es, die Kraft zu überwinden, mit der die Materieteilchen der Vereinigung widerstreben. Aber die sogenannten Beschleuniger, in denen Atomkerne aufeinandergeschossen werden können, "sind praktisch nutzlose, energiezehrende Maschinen für die theoretische Forschung. Und die Wasserstoffbombe, in "der übergroße Hitze eine Fusion erzwingt (Zünder ist eine kleine Atombombe, die durch Kernspaltung explodiert), liefert statt regelbaren Brands nur einen verheerenden Blitz.
Nicht die Bombe zu zähmen, sondern das Feuer der Gestirne nachzuahmen, haben sich die Wissenschaftler vorgenommen. In der Sonne wird die Verschmelzung von Atomkernen -- Quelle von Licht, Wärme und anderen Strahlen -- durch die hitze- und druckerzeugende Gewalt der Gravitation in Gang gehalten. So energiereich ist dieser Prozeß der Materieumwandlung, daß die Sonne noch in 100 Milliarden Jahren scheinen wird.
Der Brennstoff, der unter irdischen Bedingungen am ehesten zu kontrollierter Fusion gebracht werden kann, ist ein Gemisch aus Deuterium und Tritium -- aus schwerem und überschwerem Wasserstoff. Drei Schwierigkeiten freilich verhinderten bislang, daß der Zündpunkt erreicht wurde: > Das Brennstoffgemisch muß auf etwa 100 Millionen Grad Celsius erhitzt werden. Dann hat es den (neben fest, flüssig und gasförmig) vierten Zustand der Materie erreicht -- es ist ionisiert. In diesem sogenannten Plasma ist der Verbund von Elektronen und Kernen des Atoms gelöst. Die Partikel schwirren derart chaotisch durcheinander, daß sie häufig kollidieren -- und zu Helium-Atomkernen verschmelzen, wobei Energie frei wird.
* Damit genügend Teilchen aufeinandertreffen, muß die Plasmawolke eine bestimmte Dichte erreichen.
* Normalerweise verflüchtigt sich Plasma in Bruchteilen von Mikrosekunden. Um mehr Energie abzugeben, als es beim Erhitzen und Verdichten aufnimmt, muß das Plasma lange genug zusammengehalten werden -- zumindest Bruchteile von Sekunden.
Kein Gefäß jedoch kann Plasma einschließen; es würde sich an einer festen Wandung sofort abkühlen und in den gasförmigen Zustand übergehen. Kunstgriff der Physiker: Sie versuchen, das Plasma -- etwa innerhalb von Quarzglasröhren -- in einem Käfig. aus Magnetfeldern festzuhalten.
Der US-Physiker David Bohm hatte allerdings vor drei Jahrzehnten eine Formel für den Plasmaschwund aus solchen "magnetischen Flaschen" gefunden, nach der es niemals gelingen könnte, eine Fusion in Gang zu bringen. Tatsächlich verhielt sich das Plasma in der Laborpraxis noch widerspenstiger. "Unser Vorhaben", so umschrieb es einer der Wissenschaftler, "gleicht dem Versuch, einen Klumpen heißen Gelees mit einem Netz aus Gummifäden zusammenzupressen."
Wie entmutigend diese Erfahrungen waren, wurde vollends offenbar, als 1958 alle Länder auf Vorschlag der Sowjet-Union beschlossen, sämtliche Forschungsdaten der Fusionsexperimente offenzulegen und auszutauschen. Die internationale Kooperation aber brachte auch überraschenden Erfolg: Mit trickreichen Anordnungen von Magnetfeldern wiesen die Physiker alsbald nach, daß die Bohm-Formel -- so Professor Ewald Fünfer vom Institut für Plasmaphysik in München-Garching -- "kein universell gültiges Gesetz" ist.
Im vergangenen Jahr begann sich der neue wissenschaftliche Eifer zu lohnen. Mit ihrer Experimentieranlage "Tokomak 3" im Moskauer Kurtschatow-Institut erzeugten sowjetische Forscher, die ohnehin viel zur modernen Plasmaphysik beigetragen haben, ein sehr heißes und dichtes Plasma. Und sie vermochten es rund hundertmal so lange einzuschließen, als nach Bohms Theorie zu erwarten gewesen wäre.
Amerikanische Plasmaforscher, die lange in kleinen Gruppen mit schmalem Etat wirtschaften mußten, haben mittlerweile das erfolgreiche Moskauer Modell kopiert. Für 300 000 Dollar bauten sie in einem Sechs-Monate-Eilprogramm eine eigene Maschine in Princeton (New Jersey) um. "Wir haben mit den Russen ziemlich gleichgezogen", berichtete jüngst Princeton-Physiker Furth.
"Die Natur ist nicht gegen uns", so deutet Dr. Robert Hirsch, bis vor kurzem Direktor des Fusions-Programms der US-Atomenergie-Kommission, den Forschungsfortschritt der letzten Zeit. "Jetzt könnte eine Menge Geld eine Menge ausrichten; selbst wenn wir den Aufwand in den nächsten fünf Jahren verdreifachen, würden wir nichts verschwenden."
"Rekorde beim Erhitzen, Verdichten und Einschließen des Plasmas", konstatiert indes der Jülicher Dr. Jordan, "sind nun sinnlos geworden -- wir dürfen jetzt nicht mehr ehrgeizige Experimente anstellen, die später in technische Sackgassen führen." Gleichwohl ist die neue Jülicher Versuchsserie noch rekordträchtig.
Ebenfalls nach Tokomak-Muster sollen dort in einer Anlage, die gegenwärtig installiert wird, vom kommenden Frühjahr an dichte Plasmen lange eingeschlossen werden. Durch sehr schnelles Aufheizen wollen die Physiker dem Fusionszündpunkt näherkommen.
Vorerst können die bundesdeutschen Fusionsforscher den Weltstandard halten. Denn die Zusammenarbeit der Experten im Rahmen der europäischen Atomgemeinschaft ist, anders als bei den meisten übrigen Euratom-Projekten, erfolgreich. Und die förderliche Kooperation soll künftig noch verstärkt werden: Die auf etlichen Spezialgebieten führenden Briten bieten sich als Partner an.
Dr. Jordan nennt denn auch "eine stetige finanzielle Zuwachsrate für unsere Forschungen sinnvoll" -- mit Einschränkungen. Die zunehmende Zahl von Planstellen in Jülich und München-Garching ist immer schwerer mit fähigen Nachwuchs-Wissenschaftlern zu besetzen.
Es gibt in der Bundesrepublik zu wenige Ausbildungsmöglichkeiten für Plasmaphysiker. Die Experten aber meinen, daß die lange als esoterisch angesehene Fusionsforschung in den nächsten Jahren auch durch gezielte Wissenschaftspolitik gefördert werden müsse. Denn Fusionsreaktoren werden wahrscheinlich nicht nur nützlich, sondern dringend erforderlich sein, weil der Energiebedarf weltweit wächst.
Jeder US-Bürger verbraucht derzeit schon jedes Jahr eine Energiemenge (in Form von Strom, Wärme, Öl, Benzin und Industrieprodukten, die mit Energieaufwand gefertigt werden), die zehn Tonnen Kohle entspricht; in der Bundesrepublik liegt der Energiekonsum bei vier, in Entwicklungsländern wie Ghana oder Ecuador bei 0,3 Tonnen. Insgesamt wird der Energiebedarf auf der Erde von derzeit sechs auf 23 Milliarden Tonnen Steinkohle-Einheiten im Jahr 2000 steigen.
Und bereits jetzt ist abzusehen, daß Fusionsreaktoren gegenüber den herkömmlichen oder auch weiterentwickelten Atomreaktoren, die durch Kernspaltung Energie freisetzen, eine Reihe von Vorteilen haben werden:
* Die Kernverschmelzung ist ein Prozeß ohne sonderliches Sicherheitsrisiko -- selbst wenn ein Fusionsreaktor bombardiert würde, kämen nur Spuren radioaktiven Materials frei, das noch dazu vom menschlichen Körper rasch wieder ausgeschieden würde.
* Fusionsreaktoren könnten mithin im Zentrum von Wohngebieten errichtet werden, und auch ihre Abfallwärme ließe sich noch in Fernheizungen, zur Trinkwasseraufbereitung oder zur Meerwasserentsalzung wirtschaftlich nutzen.
* Fusionsreaktoren werden als "Brüter" konstruiert sein: Während sie Energie liefern, erzeugen sie gleichzeitig mehr neuen Fusions-Brennstoff (Tritium), als sie verbrauchen; die Brennstoffmenge könnte sich in wenigen Monaten verdoppeln -- in Spaltungs-Brutreaktoren hingegen verdoppelt sie sich erst in etwa einem Jahrzehnt. Der zweite Fusions-Brennstoff, Deuterium, ist in normalem Wasser relativ reichlich vorhanden.
Bei allem Optimismus freilich waren sich die Plasmaphysiker beim Jülicher Treffen einig, daß sie in der Erforschung und technischen Kontrolle der Fusion noch nicht einmal so weit sind, wie es die Kernspaltungsforscher 1942 waren -- damals zündete der Physiker Enrico Fermi in Chicago die erste kontrollierte Kettenreaktion. Und sie betonten, daß es zwei Jahrzehnte gedauert hat, bis die Reaktoren herkömmlichen Typs wirtschaftlich arbeiteten.
Aber sie sind jetzt sicher, daß regelbare Verschmelzung von Atomkernen möglich sein wird, technisch bewältigt und zu vernünftigen Kosten genutzt werden kann. Es ist, sagt Redan Pease, Direktor des britischen Culham Laboratory, nur mehr "ein Problem von Zahlen".
Und die Forscher kennen auch Zahlen, die sie anspornen: In jedem Liter schweren Wassers steckt soviel Energie in Form von Fusions-Brennstoff wie in 18 Millionen Litern Benzin.

DER SPIEGEL 42/1970
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