Kernfusionsforschung Die Zähmung der Sonne

Der Bau des südfranzösischen Kernfusionsreaktors Iter geht in seine entscheidende Phase. Befürworter feiern die Technologie als Wundermittel im Klimaschutz, Kritiker halten die Baustelle für ein Milliardengrab.
Blick von oben auf die Baustelle des International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER): 2025 soll die Maschine starten.

Blick von oben auf die Baustelle des International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER): 2025 soll die Maschine starten.

Foto: Jean-Paul Pelissier/ REUTERS

Viele Erfindungen sind durch die Nachahmung der Natur entstanden: So war es beim Fliegen, Tauchen mit Schwimmflossen, aber auch bei der Erfindung von Sonografiegeräten oder künstlichen Stofffasern. Das alles ist jedoch eine vergleichsweise leichte Übung im Vergleich dazu, was Forscher im südfranzösischen Cadarache in Südfrankreich vorhaben.

In dem weltweit ersten Fusionsreaktor Iter wollen Wissenschaftler durch die Verschmelzung von Wasserstoffatomen Energie gewinnen - so wie es auch im Innern der Sonne geschieht. Seit den 1950er-Jahren versuchen Wissenschaftler mit der Kraft der Sterne eine billige, fast unbegrenzte Energie herzustellen. Ohne Treibhausgase in die Atmosphäre zu blasen, die Umwelt zu verschmutzen oder auf Jahrtausende strahlendem Müll sitzen zu bleiben.

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Die Forscher des Iter-Projektes haben vergangene Woche einen weiteren "Meilenstein" beim Bau des Testreaktors  verkündet: Dabei wurde das erste große Teil des Reaktors in die sogenannte Tokamak-Basis versenkt. Riesige Kräne hoben die 1250 Tonnen schwere Kryostat-Basis an. Es ist die laut Iter größte jemals gebaute Hochvakuum-Druckkammer, die den Reaktor kühlen soll. Der Kühler ist der untere Teil der riesigen Metallkonstruktion des restlichen Reaktors. Weitere Teile kommen dem Forscherteam zufolge aus der ganzen Welt und sind derzeit per Schiff unterwegs.

Kräne hieven die über 1200 Tonnen schere Kryostat-Basis aus Stahl in die Reaktorhülle.

Kräne hieven die über 1200 Tonnen schere Kryostat-Basis aus Stahl in die Reaktorhülle.

Foto: ITER Organization

"Wenn Sie jahrelang an etwas gearbeitet haben und sehen, dass es real wird, sind sie aufgeregt", erklärte Iter-Generaldirektor Bernard Bigot in der Fachzeitschrift "Science ". "Sie fühlen sich auch verantwortlich, weil sie das Vertrauen so vieler Menschen haben." Den Bau von Iter finanzieren die EU-Mitgliedstaaten sowie weitere Länder wie die USA, Indien, Südkorea, China und Russland.

Bis Ende 2021 sollen alle Teile des Riesen-Bausatzes von Iter vor Ort sein. Im Dezember 2025 soll der Reaktor erstmals eingeschaltet werden. Das Projekt wurde schon mehrmals verschoben und hat sich von ehemals fünf auf mittlerweile mehr als 20 Milliarden Euro verteuert.

"Iter tritt jetzt in eine neue Phase ein, nämlich den Zusammenbau der eigentlichen Maschine", kommentiert Thomas Klinger vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik auf Anfrage des SPIEGEL. Mit dem Einfügen des sehr großen und schweren Bodenstücks sei ein "wichtiger erster Schritt gemacht". Klinger leitet das Projekt Wendelstein 7-X in Greifswald und haben die Ingenieure bei Iter unterstützt.

Die "Sternenmaschine"

Die Idee eines Fusionsreaktors ist, dass Atomkerne nicht gespalten, sondern fusioniert werden. Dafür nutzen die Forscher schwere Wasserstoffatome, Deuterium und Tritium genannt. Die Schwierigkeit ist, die sich abstoßenden Kerne zueinander zu bringen, damit sie miteinander reagieren. Das funktioniert nur in einer sehr heißen Umgebung, dem Plasma, das im Falle des Iter-Reaktors auf 150 Millionen Grad erhitzt werden soll. Das ist um ein Vielfaches heißer als im Inneren der Sonne, weil auf der Erde ein viel geringerer Druck herrscht. Wenn die Kerne schließlich verschmelzen, wird Energie freigesetzt.

Die beteiligten deutschen Forscher untersuchen parallel in Greifswald das Verhalten von heißem Plasma mit einer ähnlichen Technologie. Dafür verwenden sie leich­ten Wasserstoff. Mit ihrem Projekt Wendelstein 7-X wollen die Forscher mit einem "Stellarator" demonstrieren, dass sich das heiße Plasma in Schach halten und dauerhaft einschließen lässt. Im Gegensatz zum südfranzösischen Iter baut Greifswald aber keinen Fusionsreaktor.

"Ein gut verstecktes Geheimnis ist, dass man für einen funktionierenden Fusionsreaktor ein dreimal so großes Plasmavolumen braucht als bei Iter"

Michael Dittmar, Physiker an der ETH Zürich

Das Stellarator- und das Tokamak-Prinzip seien sich im Grunde sehr ähnlich, erklärt der Physiker Thomas Klinger. Beide Technologien erzeugten ein ringförmiges Magnetfeld, welches das heiße Wasserstoffplasma einschließt und gegenüber den kalten Wänden isoliert. Nur so kann das heiße Plasma überhaupt gebändigt werden. "Beim Stellarator wird das Magnetfeld ausschließlich von externen Magneten erzeugt, die jedoch relativ komplex geformt sein müssen", so Klinger.

Der Tokamak des Iter-Reaktors hingegen arbeite mit einer Kombination aus einem extern erzeugtem Magnetfeld und starken Strom im Plasma selbst. Diese Technologie sei instabiler, weil zahlreiche Steuer- und Regelsysteme benötigt würden. Außerdem sei es schwieriger, das Plasma dauerhaft aufzubauen und zu halten. "Das ist nicht problematisch, aber wissenschaftlich und technisch anspruchsvoll", meint Klinger.

Kritiker: Blinder Glaube an Großprojekte

Die Kritiker der Kernfusion sehen den von Iter angekündigten "Meilenstein" skeptisch: "Das Erreichte sollte nur in Relation zu den Versprechungen der letzten 20 bis 30 Jahre gesehen werden", sagt Michael Dittmar, Physiker an der ETH Zürich. Die Kosten seien explodiert und der Zeitplan immer wieder verschoben worden.

Kritiker wie Dittmar bezweifeln, dass die Reaktoren am Ende mehr Energie produzieren, als für die Erhitzung des Plasmas gebraucht wird. Der Physiker arbeitete jahrelang mit Teilchenbeschleunigern der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN). "Iter ist nur ein Prototyp, der höchstens für die Grundlagenforschung interessant ist", so Dittmar. "Letztendlich geht es darum, wie das Plasma für ein paar Sekunden auf die 150 Millionen Grad erhitzt werden kann."

Kosten der Kernfusion

Laut Bundesregierung förderte  die EU die Atomforschung von 2014 bis 2020 insgesamt mit rund fünf Milliarden Euro, darunter allein 2,7 Milliarden für den Fusionsreaktor Iter. Das Gleichgewicht in der Forschung geht klar zugunsten von Atom: Alle nichtnuklearen Bereiche zusammen, darunter auch die Forschung erneuerbarer Energien, betrugen knapp sechs Milliarden Euro. Auf Bundesebene sind es im Jahr 2020 rund 140 Millionen Euro für die deutsche Kernfusionsforschung.

Für den EU-Haushalt ab 2021 will die EU-Kommission die Gelder für das Iter-Projekt auf sechs Milliarden Euro bis 2027  zu verdoppeln. Damit läge das Budget dann weit über den bisherigen Forschungsförderungen anderer Energie-Technologien. Die Verhandlungen sind allerdings noch nicht abgeschlossen.

Auch die Energiequellen der Fusion wie das radioaktive Tritium müssten künstlich in Reaktoren "ausgebrütet" werden. "Das funktioniert noch nicht einmal in Computermodellen", meint Dittmar. "Es ist außerdem schon lange bekannt, dass man für einen funktionierenden Fusionsreaktor ein dreimal so großes Plasmavolumen braucht." Das sei aber ein "gut verstecktes Geheimnis", wenn es um die Bewilligung von weiteren Fördergeldern für Iter geht.  

Der Physiker erstellte im vergangenen Jahr ein Gutachten zur Machbarkeit von Kernfusion für die Grünenfraktion im Bundestag. Das war so vernichtend, dass die Grünen mittlerweile von einem "Verpackungsschwindel" sprechen. Statt einem Klimaschützer sei die Technologie ein Milliardengrab. Der Bundesregierung unterstellen die Grünen einen "blinden Glauben an Kernfusion". Deshalb sollten EU und Bundesregierung ihre Förderung überdenken. Die wird dieser Tage gerade diskutiert: im EU Haushaltsplan 2021 bis 2027 (siehe Kasten). Laut einem Entwurf sollen die Förderungen für Iter auf mehr als sechs Milliarden Euro steigen - im letzten Haushalt waren es nur rund 2,7 Milliarden. "Die Verdopplung der Zahlungen an die ungewisse Fusionsforschung und das Milliardengrab Iter zeugt von mangelndem Zukunftsverständnis", kritisiert die Atom-Beauftragte der Grünenfraktion Sylvia Kotting-Uhl auf Nachfrage.

Auch der ETH-Forscher Dittmar rät, die Mängel der Kernfusion offen und ehrlich auf einer internationalen Konferenz zu besprechen und erst danach die nächsten Fördertranchen zu bewilligen.

Die USA als Fusions-Sponsor

Die EU-Kommission hat die Kernfusion mittlerweile als Klimaschutz-Joker entdeckt: Die Ausgaben für den Forschungsreaktor Iter will sie demnächst zu 100 Prozent als Klimaschutzmaßnahme verbuchen. Schließlich ist die Kernfusion emissionsfrei und damit gleichauf mit den Erneuerbaren - wenn sie erst einmal funktioniert. Den Grund liefert der EU-Entwurf auch gleich mit: Der Schritt soll beim Erreichen des Ziels helfen, künftig 25 Prozent des EU-Budgets für den Klimaschutz auszugeben. Das ist die neue Maßgabe des Green Deals, den die EU-Kommission angekündigt hat.

Ob sich Iter als Klimaschützer beweist, ist zweifelhaft. Erst 2035 soll überhaupt mit ersten Experimenten mit den eigentlichen Fusionsatomen Deuterium und Tritium begonnen werden. Weil Iter nur für die Forschung gebaut ist, müssten dann Demonstrationsanlagen folgen - die Kosten dafür würden wahrscheinlich ähnliche Höhen erreichen.

Scheitern könnte das Iter-Projekt aber auch, wenn sich Geldgeber zurückziehen. Regelmäßig werden Zweifel laut. Die USA kündigten schon vor Jahren an , dass die Geduld mit dem Mammutprojekt langsam vorbei sei. Der US-Senat kürzte bereits wiederholt die Iter-Mittel. Seit Trumps Amtsantritt ist die Finanzierung jedoch erst mal gesichert: Der amerikanische Präsident verdoppelte 2018 die Förderung.

Angeblich hat die US-Marine  mittlerweile selbst ein Patent auf Kernfusionsreaktoren zum Antrieb von Schiffen angemeldet. Ob es sich dabei um Fake News oder einen wirklichen Durchbruch handelt, ist noch unklar. Ein Rüstungskonzern in den USA behauptete bereits 2014 einen Durchbruch bei der Kernfusion erreicht zu haben. Das steht in einer langen Tradition von angeblichen Fusionserfolgen: Erstmals behauptete der argentinische Präsident Juan Perón bereits 1951 das Patentrezept für die Kernfusion zu haben. Aus Jubel wurde Gelächter: Perón wurde von einem größenwahnsinnigen deutschen Physiker hinters Licht geführt.

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