Fusionsrekatoren

Hinter den Wortbergen leben die Blindtexte

Wenn man Analysen über die Energiezukunft anschaut, führt neben der Nutzung von Wind, Wasser und Solarstrom kaum ein Weg an der Kernfusion vorbei.

Die aktuellen Berichte über die Entwicklung der Fusionstechnik in Europa und Amerika verdeutlichen einen rasanten Übergang von der reinen Grundlagenphysik hin zur angewandten Kraftwerksrealität. Im Zentrum stehen dabei im Wesentlichen drei technologische Ansätze, mit denen versucht wird, Energie aus Fusionsreaktionen zu gewinnen.

Die drei wesentlichen Technologieansätze

An vorderster Front steht das Prinzip des magnetischen Einschlusses, das vor allem durch Tokamaks und Stellaratoren repräsentiert wird und deren Funktionstheorie schon vor Jahrzehnten entwickelt wurde. Hierbei wird ein extrem heißes Plasma aus Wasserstoffisotopen (Deuterium, Tritium) in einer ringförmigen Kammer mittels starker Magnetfelder im Schweben gehalten, um jeglichen Kontakt mit den Reaktorwänden zu verhindern. Große internationale Anlagen wie ITER in Frankreich oder der deutsche Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald liefern hierbei essenzielle Daten zur Bewältigung der Plasmaphysik und der komplexen Anlagentechnik.

Den technologischen Gegenpol bildet die Trägheitsfusion (Inertial Confinement), bei der winzige Kügelchen aus Fusionsbrennstoff innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde durch hochenergetische Lasersysteme komprimiert und erhitzt werden, um eine explosionsartige Fusion herbeizuführen. Seitdem am Lawrence Livermore National Laboratory in den USA (05. Dezember 2022) ein historischer Nettoenergiegewinn nachgewiesen wurde, verzeichnet dieser Ansatz einen starken Boom, der auch stark durch private Investoren skaliert wird.

Als dritter Ansatz gewinnen hybride Konzepte der magnetisch unterstützten Trägheitsfusion (Magneto-Inertial Fusion (MIF)) an Bedeutung. Hierbei wird das Fusionsmaterial vor dem finalen Lasereinsatz durch Magnetfelder vorkonditioniert und verdichtet, wodurch die Zündungseffizienz gesteigert und der benötigte Energieaufwand für die Lasersysteme optimiert werden soll.

Hinsichtlich des verwendeten Brennstoffs gilt die Kombination aus Deuterium und Tritium als physikalischer Standard, da sie die geringsten Zündtemperaturen erfordert. Während Deuterium in großen Mengen aus Wasser gewonnen werden kann, stellt Tritium eine erhebliche technologische Herausforderung dar: Es ist radioaktiv, besitzt eine kurze Halbwertszeit und kommt in der Natur praktisch nicht vor. Die Kosten für ein Gramm Tritium liegt derzeit bei deutlich über 20.000 EUR. Bei diesen Preisen müssen daher zukünftige kommerzielle Fusionskraftwerke mit einem Bedarf von ca. 500 gr/Tag das benötigte Tritium im Reaktor selbst erbrüten, indem Lithium mit Neutronen beschossen wird. Die technologische Readyness für einen geschlossenen, sicheren Brennstoffkreislauf befindet sich in einem intensiven Entwicklungsstadium.

Herausforderung Targetherstellung für die Laserfusion

Ein zentraler und gegenwärtig besonders kritischer Engpass bei der reinen Laserfusion ist die Targetherstellung. Um einen kontinuierlichen Kraftwerksbetrieb zu gewährleisten, muss ein Reaktor mehrere Schüsse pro Sekunde abfeuern und folglich fast eine Million präzise gefertigte Fusionskügelchen (Targets) täglich fehlerfrei einschleusen. Aktuell sind die Herstellungskosten pro Target extrem hoch (>> 10.000 EURO/Stück) und die Fertigungsverfahren noch nicht im industriellen Maßstab automatisiert. Genau an dieser Stelle bietet der hybride Ansatz einen entscheidenden Vorteil: Durch die magnetische Vorkonditionierung des Plasmas sinken die extremen physikalischen Anforderungen an die exakte Symmetrie und Kompression des einzelnen Targets. Dadurch eröffnen sich völlig neue Wege, um etablierte und hochproduktive industrielle Fertigungsverfahren (wie beispielsweise umformtechnische Prozesse) für die Massenproduktion zu nutzen, was die Target- und Laserkosten drastisch senken und den wirtschaftlichen Kraftwerksbetrieb erst ermöglichen könnte.

Ein hervorragender Forschungsstandort: Deutschland

Deutschland nimmt in dieser Forschungslandschaft eine bedeutende Position ein. Neben den genannten Anlagen Wendelstein 7-X in Greifswald und dem Tokamak ASDEX Upgrade am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching wird die Entwicklung zunehmend durch die Verknüpfung von Wissenschaft und Industrie vorangetrieben.

Ein bedeutender Standort für die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten soll das frühere Kernkraftwerksgelände in Biblis (Hessen) werden. Auf dem Areal entsteht ein nationaler Fusions-Hub, der die vorhandene Industrie-Infrastruktur, Kühlanlagen und die bestehende Netzanbindung nutzt, um Planungs- und Bauzeiten zu verkürzen. Dort treibt das deutsch-amerikanische Start-up Focused Energy – das 2021 als Ausgründung aus der Technischen Universität Darmstadt entstand und Standorte in Deutschland sowie den USA unterhält – die Entwicklung eines laserbasierten Fusionskraftwerks voran.

Parallel dazu werden natürlich auch weltweit, namentlich in Amerika, erhebliche Anstrengungen unternommen, um durch Fusionskraftwerke verlässliche Energie für den rasch steigenden Strombedarf der globalen Bevölkerung sowie datenintensiver Infrastrukturen (Rechenzentren) bereitzustellen.

Aussicht - der Fluch mit dem "Fusion gibt es in 30 Jahren"

Immer wieder gab es Ankündigungen, dass die Fusionstechnologie vor dem Durchbruch steht und es "nur noch" 30 Jahre bis zur breiten Energiegewinnung aus Fusionsreaktoren braucht. Erstmals in der über 60 Jahre langen Geschichte der Kernfusionsforschung sind die Einschätzungen als machbar anzusehen.

Als aussichtsreichste und technologisch am weitesten fortgeschrittene Technologie für eine baldige Realisierung gilt derzeit der magnetische Einschluss in kompakten Tokamaks, insbesondere gestützt durch den Einsatz neuer Hochtemperatur-Supraleiter (HTS). Während traditionelle Großprojekte wie ITER vor allem der wissenschaftlichen Validierung dienen, haben insbesondere private Unternehmen (wie das Spin-off des MIT Commonwealth Fusion Systems in den USA oder Tokamak Energy in UK) den technologischen Durchbruch geschafft, starke Magnetfelder in deutlich kleineren und damit wirtschaftlicheren Reaktoren zu erzeugen. Dies verkürzt die Planungs- und Bauzeiten drastisch und macht Tokamaks zum aktuell schnellsten Pfad für die erste Einspeisung von Fusionsstrom in das öffentliche Netz.

Die Laserfusion bzw. Trägheitsfusion (u. a. verfolgt von Focused Energy) hat durch den nachgewiesenen wissenschaftlichen Nettoenergiegewinn enorm an Momentum gewonnen, steht jedoch vor den massiven ingenieurtechnischen Hürden der Massenfertigung von Targets und hoher Schussfrequenzen.

Basierend auf den aktuellen Roadmaps der beteiligten Industrie- und Forschungseinrichtungen wird prognostiziert, dass erste Demonstrationskraftwerke in den 2030er-Jahren ans Netz gehen könnten, während eine breitere kommerzielle Stromversorgung im großen Stil für das darauffolgende Jahrzehnt (um 2040) anvisiert wird.