Der Mensch baut sich eine Sonne

29.06.2005, 00:00 Uhr 29.06.2005, 00:00 Uhr Frank Grotelüschen

Kernfusion: Mit dieser Technologie ließe sich der Energiehunger der Menschheit ein für allemal stillen. Doch die Hindernisse auf dem Weg zu einem Reaktor sind immens.

Hamburg. Ein Klassenzimmer im Jahre 2099. Die Lehrerin projiziert ein 3-D-Bild an die Wand, den qualmenden Schlot eines altertümlichen Kraftwerks. "Anfang des Jahrhunderts wurde ein großer Teil des elektrischen Stroms durch das Verbrennen von Kohle und Öl erzeugt", doziert sie. Ungläubiges Staunen bei den Schülern: "Gab's denn damals noch keine Fusionskraftwerke?"

Nein, gab es nicht. 2005 steckt die Kernfusion - fünf Jahrzehnte nach ihren Anfängen - noch in den Kinderschuhen. Doch nun könnte sie vor ihrem Durchbruch stehen: Gestern einigten sich die großen Industriestaaten auf den Standort für "ITER", das größte Fusionsexperiment aller Zeiten. Der 4,6 Milliarden Euro teure Megareaktor soll beweisen, daß die kontrollierte Kernverschmelzung zur Energieerzeugung taugt.

Die Kernfusion bringt Sonne und Sterne zum Scheinen. Das Prinzip: Zwei Wasserstoffkerne verschmelzen zu Helium und entlassen dabei jede Menge Energie: Ein Kilogramm Wasserstoff, verschmolzen zu Helium, liefert genausoviel Energie, als würde man 10 000 Tonnen Steinkohle verheizen. Ließe sich die nukleare Fusion in Kraftwerken bändigen, könnte der Energiehunger der Menschheit bis auf weiteres gestillt sein.

Als Brennstoffe dienen zwei Abarten von Wasserstoff, Deuterium und Tritium genannt. Deren Vorkommen sind praktisch unerschöpflich. "Mit dem Inhalt von drei Flaschen Mineralwasser und zwei Feldsteinen ließe sich eine vierköpfige Familie ein Jahr lang mit Energie versorgen", erläutert der Physiker Thomas Klinger vom Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald. Aus dem Wasser gewinnen die Experten das Deuterium. Die Feldsteine enthalten Lithium, den Ausgangsstoff für Tritium. Unter geeigneten Bedingungen verschmelzen Deuterium und Tritium zu Helium.

Die Kernfusion böte noch weitere Vorteile: "Bei der Verschmelzung entstehen keine Treibhausgase", sagt Klinger. Die Katastrophe eines GAU scheint bei einem Fusionsreaktor ausgeschlossen. Zudem würde er keinen langlebigen Atommüll erzeugen, den man über Jahrtausende endlagern müßte.

Doch die Sache hat einen Haken. Wasserstoffkerne fusionieren nur bei so harschen Bedingungen, wie sie im Inneren der Sonne herrschen. Dort ist es 15 Millionen Grad heiß, der Druck steigt auf 100 Milliarden Bar. Vergleichbare Konditionen wollen die Physiker mit dem "Tokamak" erzeugen - einem Konzept, das bereits 1952 der russische Physiker und spätere Bürgerrechtler Andrej Sacharow mitentwickelt hatte: Eine große, reifenförmige Reaktionskammer erhitzt ein Gasgemisch aus Deuterium und Tritium auf 100 Millionen Grad. Starke Magnetfelder halten dieses "Plasma" im Zaum. Gelingt es, Magnetfeld und Temperatur über Minuten stabil zu halten, entzündet sich das Plasma zu einem lodernden, energiespendenden Fusionsfeuer.

Ein technisch höchst anspruchsvolles Unterfangen. Doch Anfang der Neunziger glückte ein erster Durchbruch. 1991 konnten die Physiker des europäischen Versuchsreaktors JET in Großbritannien erstmals ein winziges, zwei Sekunden währendes Nuklearfeuer aufflackern lassen. Die grundsätzliche Machbarkeit der kontrollierten Kernverschmelzung war eindrucksvoll bewiesen.

Auch die große Politik stand hinter der Idee: Bei ihrem Genfer Gipfeltreffen im November 1985 hatten Michail Gorbatschow und Ronald Reagan über ein gemeinsames Fusionsprojekt nachgedacht. Sieben Jahre später gaben Europa, Rußland, die USA und Japan die Entwicklung von ITER in Auftrag, den "Internationalen Thermonuklearen Experimental-Reaktor". Zu einem Preis von 6,5 Milliarden Euro sollte ITER beweisen, daß die kontrollierte Kernfusion nicht nur als physikalisches Laborexperiment funktioniert. "Der entscheidende Schritt auf dem Weg zu einem Fusionskraftwerk", so der ehemalige ITER-Direktor Robert Aymar.

1998 präsentierten die Physiker ihre Konstruktionspläne. Doch der Politik war das Unterfangen nun zu teuer. Die Forscher mußten nachsitzen und einen abgespeckten ITER entwerfen. Das Prinzip: In einer haushohen, reifenförmigen Reaktionskammer halten starke Magneten ein Gasgemisch aus Deuterium und Tritium in der Schwebe. Durch Anlegen von Strom, Einspeisen von Mikrowellen und Einschießen schneller Teilchen wird das Gas auf 100 Millionen Grad geheizt. Sind Temperatur und Dichte hoch genug, verschmelzen Deuterium und Tritium zu Helium. Die Heliumkerne heizen das Gas weiter und halten den Prozeß am Laufen - das Plasma ist gezündet, das Fusionsfeuer brennt und liefert Energie.

Bei der Kernverschmelzung entstehen neben Heliumkernen auch Neutronen. Diese verlassen den Magnetkäfig und heizen ein Kühlmittel auf, welches durch eine Turbine fließt und dort elektrischen Strom erzeugt. Außerdem treffen die Neutronen auf einen Mantel aus Lithium und erbrüten dort den Brennstoff Tritium. Ob dieses Erbrüten wie geplant klappt, gehört zu den wichtigsten Fragen, die ITER beantworten soll. Eine weitere Herausforderung: "Für die Reaktorwand brauchen wir Stähle, die dem Neutronenbombardement möglichst lange standhalten", sagt IPP-Direktor Alexander Bradshaw. "Schließlich wollen wir nicht alle paar Monate die Wand auswechseln."

Zum einen müssen die Materialien eine gewaltige Wärmelast ertragen. Zum anderen werden sie im Laufe der Zeit "aktiviert": Einige der Neutronen lagern sich an die Atomkerne des Wandmaterials an und machen sie radioaktiv. Deshalb müssen die Wissenschaftler nach Stahllegierungen mit möglichst geringem Kobaltgehalt suchen, denn gerade Kobalt wird unter der Neutronendusche zum ausgeprägten Strahler.

Doch selbst optimierte Stähle werden in einem Fusionsreaktor im Laufe der Zeit radioaktiv. "Man wird sie 100 bis 200 Jahre zwischenlagern müssen, dann ist die Aktivität abgeklungen", sagt Bradshaw. "Verglichen mit der Kernspaltung, bei der der nukleare Abfall Zigtausende von Jahren strahlt, ist das sehr wenig." Alle ein bis zwei Jahre, so schätzen die Experten, werden Roboter die ermüdeten und radioaktiv gewordenen Wandsegmente in einem Kraftwerk austauschen müssen - vermutlich keine billige Angelegenheit.

Der Fahrplan für die Reise zur Kernfusion jedenfalls steht, zumindest in den Köpfen der Wissenschaftler: "Wenn wir die Ergebnisse von ITER haben, könnten wir etwa im Jahre 2030 ein Demonstrationskraftwerk bauen", schätzt Bradshaw. Mit diesem "DEMO" wollen die Forscher Detaillösungen entwickeln und die Wirtschaftlichkeit der neuen Energieform beweisen.

Läuft alles glatt, könnte um 2050 der erste kommerzielle Reaktor ans Netz gehen - viel später, als es die Pioniere einst prognostiziert hatten. "Zu Anfang waren die Wissenschaftler zu optimistisch", gesteht Bradshaw. Nicht wenige Experten seien damals von einer Entwicklungszeit von nur 20 oder 30 Jahren ausgegangen. "Doch heute wissen wir mit ziemlicher Sicherheit, wie ein Fusionskraftwerk auszusehen hat, meint Bradshaw. "Mit grundlegenden Problemen rechnen wir nicht." Demnach dürfte es vor allem an der Wirtschaftlichkeit hängen, ob sich die kontrollierte Kernverschmelzung eines Tages durchsetzt oder nicht.