Ein riesiger Mikrowellenherd soll das Energieproblem lösen

Um die Vision der Kernfusion zu verwirklichen, bauen Physiker in Deutschland einen Reaktor, der auf einem neuen Prinzip beruht. Seine Wände sind verdreht – damit das Plasma nicht ausbüxt.

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Das Ungetüm ähnelt einem überdimensionalen Lastwagenreifen – 16 Meter Durchmesser, zwei Stockwerke hoch. Wie komplex die Maschine ist, lässt sich von aussen nur erahnen: Seltsam verbogene Innenwände, umfasst von verdrillten Magnetspulen. Dazwischen unzählige Röhren, Kabel und Drähte, vielfach miteinander verflochten. «Sieht chaotisch aus wie ein Teller Spaghetti», sagt Lutz Wegener, Montageleiter des metallenen Monstrums. «Ist aber alles präzise am Computer entworfen.»

Der 700-Tonnen-Koloss heisst Wendelstein 7-X und ist eines der grössten Fusionsexperimente der Welt. Derzeit bauen ihn die Monteure am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald zusammen – unter Hochdruck und im Schichtbetrieb. Denn ab 2014 soll Wendelstein, benannt nach einer Bergspitze in den Bayerischen Alpen – helfen, eine jahrzehntealte Vision Wirklichkeit werden zu lassen: die kontrollierte Verschmelzung von Atomkernen – um in ferner Zukunft Strom zu erzeugen.

100 Millionen Grad

Wendelsteins Herz ist ein Torus, eine reifenförmige Vakuumkammer. Supraleitende, mit Flüssighelium gekühlte Magneten sollen darin ein Wasserstoffgas in der Schwebe halten. Gleichzeitig werden starke Mikrowellen und schnelle Teilchenstrahlen das Gas zu einem Plasma ionisieren und bis auf 100 Millionen Grad heizen.

Wendelstein wird zwar kein Fusionsfeuer entfachen, dazu ist er zu klein. Aber er soll eine grundlegende Frage beantworten: Eignet sich das Konzept des Stellarators wie Wendelstein ebenso für ein Fusionskraftwerk wie das des Tokamaks? Letzteres ist das bislang favorisierte Prinzip der Fusionsforscher. So ist das internationale Megaexperiment Iter, das gerade in Südfrankreich gebaut wird, als Tokamak ausgelegt: Sein Magnetkäfig hat die Form eines simplen Ringreifens. Wände und Magneten sind weitgehend glatt und nicht in sich verdreht wie bei Wendelstein. Doch trotz seiner aufwendigeren Form könnte ein Stellarator besser funktionieren. «Ein Tokamak ist schwer zu bändigen», sagt IPP-Direktor Thomas Klinger. «Bei ihm neigt das Plasma zum Ausbüxen – wie ein wildes Tier–, sodass man den Magnetkäfig laufend nachregeln muss.» Anders beim Stellarator: Seine verdrehten Magneten sollen in der Lage sein, das Plasma stabiler einzuschliessen. Ausserdem könnte der Stellarator sich eher für den Dauerbetrieb eignen als ein Tokamak. Dieser nämlich läuft nur im Pulsbetrieb, muss also gelegentlich kurz ausgeschaltet werden – ein Manko für den Kraftwerksbetrieb.

Aber: Konstruktion und Bau von Wendelstein sind schwierig. Jahrelang simulierten Grossrechner die Flugbahnen unzähliger Gasteilchen und spielten immer neue Konfigurationen durch. Das Ergebnis: Der Käfig für Wendelstein besteht aus 70 ringförmigen Spulen von seltsamer Gestalt. Die meisten sind so in sich verdreht, als wären sie bei einem Sturz von der Laderampe verbeult und eingedellt worden.

EPFL-Forscher liefern Heizung

Heikler als ihr Design war die Fertigung der supraleitenden Magneten. Ein Teil davon erwies sich bei Tests als unbrauchbar und musste repariert werden. Die Folge: Statt wie geplant 2010 wird Wendelstein erst 2014 fertig sein und mit 520 Millionen Franken rund 160 Millionen teurer werden als vorgesehen. Doch nun laufe alles nach Plan, sagt Klinger. Das gilt auch für eine andere Kernkomponente – die Heizung, die das Wasserstoffgas auf 100 Millionen Grad erhitzen soll und an deren Entwicklung Experten der EPF Lausanne beteiligt waren. Es sind starke Mikrowellensender – übermannshohe graue Metalltonnen, die im Keller einer Nebenhalle stehen und vage an eine Mondlandefähre erinnern. In ihrem Inneren zwingt ein starker Magnet Elektronen auf eine Spiralbahn; die kreisenden Elektronen senden starke Mikrowellen aus. Zum 80 Meter entfernten Stellarator gelangen die armdicken Strahlen durch einen Betonkanal.

Das Problem: «Die Bauteile, die wir für diese Sender brauchten, gab es anfangs nicht», sagt EPFL-Physiker Stefano Alberti. «Deshalb mussten wir sie selbst entwickeln.» Eine der Herausforderungen bestand darin, den Sendern nicht nur Mikrowellenpulse von der Länge einiger Sekunden zu entlocken, sondern sie eine halbe Stunde lang strahlen zu lassen. «Zwar schafften wir es erstaunlich schnell, funktionierende Prototypen im Labor zu entwickeln», sagt Alberti. «Es war aber alles andere als einfach, diese Sender industriell herstellen zu lassen.» Doch nun sind die Probleme gelöst. Ein ähnliches, noch stärkeres System soll nun sogar bei Iter zum Einsatz kommen.

Wettlauf mit Iter und Ignitor

In drei Jahren sollen die Experimente in Greifwald beginnen. «In der ersten Betriebsphase bis 2017 wollen wir zeigen, dass Wendelstein einem Tokamak gleicher Grösse ebenbürtig ist», sagt Thomas Klinger. In derselben Grössenordnung liegt zum Beispiel das italienisch-russische Projekt Ignitor, das nahe Moskau gebaut wird und in drei Jahren fertig sein soll. Langfristiges Ziel von Wendelstein aber ist der Dauerbetrieb – eine Novität für ein Fusionsexperiment. Ihn werden die Fachleute frühestens ab 2019 erreichen, nach einem Umbau von Wendelstein.

«Wenn um das Jahr 2030 handfeste Ergebnisse von Wendelstein sowie von Iter auf dem Tisch liegen, könnte sich durchaus zeigen, dass der Stellarator dem Tokamak überlegen ist», sagt Klinger. Allerdings legen sich auch die Tokamak-Befürworter ins Zeug. Sie basteln an einer verbesserten Version, dem Advanced Tokamak. Seine Entladungszeiten sollen mit bis zu acht Stunden so lang sein, dass er faktisch einen Dauerbetrieb erreichen und damit dem Stellarator seinen Hauptvorteil nehmen würde.

Zukunftsvision Fusionsenergie

Und wie könnte es danach mit der Kernfusion weitergehen? In den Köpfen der Forscher steht der Fahrplan schon. «Nach Iter und Wendelstein wird man mehrere Demonstrationskraftwerke bauen, einige als Tokamak, andere als Stellarator», glaubt Klinger. «Das wäre wie heute im Fahrzeugbau, in dem mit Diesel und Ottomotor auch zwei Konzepte nebeneinander existieren.»

Beim Bau dieser Demo-Reaktoren müssten die Forscher unter anderem neutronenbeständige Materialien finden und die Wirtschaftlichkeit der Fusion beweisen – alles andere als selbstverständlich. «Wir wollen der Gesellschaft eine Option für eine Energieversorgung bieten», sagt Thomas Klinger. Ob diese Option auch gezogen wird, ist kaum zu prognostizieren. Gut möglich, dass Staaten wie Frankreich und China, die auf die Kernkraft setzen, ihre Meiler eines Tages durch Fusionsreaktoren ersetzen werden. Länder wie Deutschland hingegen, die eine Versorgung mit regenerativer Energie anstreben, werden von der Fusion womöglich die Finger lassen.

Erstellt: 29.12.2011, 14:28 Uhr

Energiequelle Kernfusion

Die Kernfusion lässt unsere Sonne leuchten. Voraussetzung sind die Extrembedingungen in ihrem Inneren: 15 Millionen Grad und Drücke bis zu 300 Milliarden Atmosphären. In diesem Höllenfeuer verschmelzen Wasserstoffatome zu den grösseren Heliumkernen und setzen jede Menge Energie frei: Ein Kilo Wasserstoff liefert die Energie von 11'000 Tonnen Steinkohle. Gegenüber AKW hätten Fusionsreaktoren mehrere Vorteile: Ihr Brennstoff ist unerschöpflich, und es entstehen weder Treibhausgase noch langlebige radioaktive Abfälle. Auch ein GAU wie in Fuku­­shima scheint ausgeschlossen. Dazu enthält ein Fusionsreaktor zu wenig Brennstoff.(gro)

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