Fusionsreaktor "Wendelstein 7-X" und der Traum von der unerschöpflichen Energiequelle

Das erste Plasma aus der Forschungsanlage 'Wendelstein 7-X' am Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Greifswald

(Foto: IPP, Foto: Matthias Otte)
  • Wissenschaftler experimentieren mit der Kernfusion, wie sie im Inneren der Sonne stattfindet.
  • Damit sollten sich eines Tages neuartige Kraftwerke bauen lassen.
  • Das Problem: Die Technik ist komplizierter als gedacht.
Von Robert Gast

Eine stärkere Symbolik kann man sich kaum wünschen: Auf dem Pariser Klimagipfel ringen Diplomaten zwei Wochen lang um ein weltweites Abkommen, das eine CO2-freie Zukunft sichern soll. Und auf den letzten Metern der Verhandlungen fällt der Startschuss für ein physikalisches Experiment, das den Weg zu einer klimafreundlichen und theoretisch unerschöpflichen Energiequelle weist.

So sehen das zumindest die Befürworter der Kernfusion. Für sie ist das Verschmelzen von Atomkernen, wie es im Inneren der Sonne stattfindet, die effizienteste aller Energiequellen. Eine Energiequelle, die man auch auf der Erde erschließen können müsste, indem man ein kleines Sonnenfeuer in einem Reaktor zündet. Am Donnerstag ist dieses ambitionierte Ziel ein Stück näher gerückt: In der Ostsee-Stadt Greifswald absolvierte der gut eine Milliarde Euro teure Forschungsreaktor "Wendelstein 7-X" seinen ersten Testlauf.

Wie eine Brezel, die der Bäcker zu oft geknetet hat

Der 16 Meter breite und fünf Meter hohe Forschungsreaktor ist weltweit die größte Anlage dieser Bauweise und in gewisser Weise ein Exot im Vergleich mit anderen Fusionsreaktoren. Der sogenannte "Stellarator" basiert auf einem anderen Prinzip als die meisten Versuchsanlagen. Auch der in Südfrankreich entstehende Iter ist anders designt als die verschlungen geformte Brennkammer von Wendelstein 7-X. Während das heiße Gas im Inneren von Iter in einer Donut-förmigen Brennkammer erhitzt wird, bewegt es sich in Wendelstein 7-X wie in einer Brezel, die der Bäcker zu oft geknetet hat.

Die Form ist das Resultat aufwendiger Computersimulationen. Lange von Forschern unterschätzt, hat der sogenannte "Stellarator" einen Vorteil gegenüber dem bisherigen Favoriten der Fusionsforscher. Während der kreisrunde "Tokamak"-Reaktortyp (Iter) regelmäßig Pausen einlegen muss, könnte die Greifswalder Version ohne Unterbrechungen betrieben werden.

Das hoffen zumindest die Physiker. Mit Vorhersagen ist es in der Fusionsforschung allerdings so eine Sache. Das Forschungsgebiet hat eine lange Geschichte enttäuschter Erwartungen hinter sich. Immer wieder sind in den vergangenen Jahrzehnten Forschungsreaktoren spektakulär gescheitert, weil die Wissenschaftler von Problemen überrascht wurden.

Der Traum von der Kernfusion ist ein schöner Traum

Doch die zugrunde liegende Idee ist einfach zu faszinierend. Der Traum von der Kernfusion ist ein schöner Traum, und noch dazu ein sehr alter. Er kam in den 1950er Jahren auf, als die Supermächte immer zerstörerische Atombomben bauten. Es zeigte sich, dass man Sprengkraft ebenso aus der Spaltung schwerer Atomkerne gewinnen kann wie auch aus der Verschmelzung leichter Kerne. Das letztere Prinzip der Wasserstoffbombe müsste sich doch ebenso in einem Reaktor umsetzen lassen, wie die Kernspaltung in einem klassischen Atomkraftwerk, glaubten die Physiker.

Aus ihrer Sicht ist diese Variante weit eleganter als das Zertrümmern von Atomen und den strahlenden Abfällen, die das erzeugt. Statt etwas zu zerstören, schafft die Fusion etwas Neues: Treffen sich zwei Atomkerne des Elements Wasserstoff, können sie zu einem etwas größeren Helium-Atomkern verschmelzen. Dabei wird Masse in Energie umgewandelt. Die Reaktion findet im Inneren der Sonne statt, unzählige Male pro Sekunde. So entsteht die Wärme, ohne die nichts gehen würde auf der Erde.

Seither propagieren Physiker die Kernfusion als nahezu makellose Energiequelle. In einem Gramm ihres Brennstoffs stecke so viel Energie wie in elf Tonnen Kohle. Man kann diesen Brennstoff - die Wasserstoff-Varianten Deuterium und Tritium - aus Meerwasser gewinnen oder im Fusionsreaktor erbrüten. Das alles soll CO2-neutral möglich sein, und ohne das Risiko eines atomaren Super-GAUs.

Die Brennkammer muss die Ausmaße einer Kirche haben

Die Vision hat allerdings einen Haken: Atomkerne lassen sich nur sehr ungerne verschmelzen. Wegen ihrer elektrischen Ladung stoßen sie einander ab. Nur in einem Hundert Millionen Grad heißen Gas (einem sogenannten Plasma), prallen sie so heftig aufeinander, dass sie ihre natürliche Abneigung überwinden. Allerdings könnte kein Behälter solch eine sengende Brühe aufnehmen, ohne zu schmelzen.

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Seit 65 Jahren versuchen Physiker daher, heiße Plasmen mit Magnetfeldern in der Schwebe zu halten. Für geladene Partikel wirken sie wie Leitplanken. Trifft ein Atomkern oder Elektron auf ein Magnetfeld, wird es auf eine Kurve gelenkt. Mit geschickt konstruierten Arrangements aus Spulen, die Magnetfelder erzeugen, können Physiker das Plasma von den Wänden des Reaktors fernhalten - zumindest für kurze Zeit.

Es länger zu halten, ist so schwer, wie einen Pudding mit Gummibändern festzuzurren. Früher oder später quillt das Plasma aus jedem Magnetfeld-Käfig, stößt an die Wand und kühlt sich ab. Um das zu vermeiden, muss die Brennkammer die Ausmaße einer Kirche haben. Nur dann sind die Wärmeverluste vernachlässigbar, sodass die Kernfusion in Gang bleibt.