Fusionsforschung: Wie Sonne und Sterne ihre Energie erzeugen

Fusion, das heißt die Verschmelzung von Atomkernen, ist der Prozess, mit dem die Sonne und die Sterne ihre Energie erzeugen. Es ist ein uralter Traum der Menschheit, "die Sonne auf die Erde zu holen" und diese Energie für sich nutzbar zu machen. Die Fusionsforschungsarbeiten in Deutschland, die ein integraler Bestandteil des europäischen Fusionsforschungsprogramms sind, reichen von sehr grundlegenden Untersuchungen der Plasmaphysik bis hin zur Realisierung technologisch äußerst anspruchsvoller Komponenten für Fusionsanlagen und dem Aufbau des Großexperiments Wendelstein 7-X in Greifswald.

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Vermeiden von Kohlendioxidemissionen

Die Sonne sendet Licht aus, weil in ihr ständig Wasserstoffkerne in einem mehrstufigen Prozess zu Heliumkernen verschmelzen und dabei Energie frei setzen. Allerdings läuft dieser Prozess selbst unter der drastisch hohen Temperatur und Dichte im Sonneninnern nur mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit ab. Das bedeutet einerseits, dass uns die Sonne zum Glück noch sehr lange erhalten bleiben wird. Andererseits ist die vorhandene Menge an "Brennstoff" in Form von Wasserstoff so groß, dass trotz der geringen Reaktionswahrscheinlichkeit kontinuierlich genügend viel Energie abgestrahlt wird, um das irdische Leben zu ermöglichen.

Unter Bedingungen, wie sie auf der Erde erreicht werden können, verlaufen die Fusionsreaktionen der Sonne zu langsam. Deshalb soll hier die Fusion zweier anderer Arten von Wasserstoffkernen genutzt werden: Deuterium und Tritium. Sie sind quasi Zwischenstufen auf dem Weg vom Wasserstoff zum Helium. Tritium läßt sich unter den Bedingungen einer Fusionsreaktion aus Lithium erzeugen. Sowohl Deuterium als auch Lithium sind in großer Menge vorhanden und stellen beim Erfolg der Fusionsforschung auf Jahrtausende keinen Engpass für die Energieerzeugung dar. Der entscheidende Vorteil gegenüber der heute noch vorherrschenden Art der Energieerzeugung durch Verbrennung fossiler Energieträger liegt also einerseits im Vermeiden von Kohlendioxidemissionen, andererseits in der langen Verfügbarkeit der Ressourcen. Fusion wäre somit - gerade im Hinblick auf den weltweit in den nächsten Jahren und Jahrzehnten noch deutlich ansteigenden Energiebedarf - eine Ergänzung zum weiteren Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energiequellen.

Konzentration auf den Magneteinschluss

Eine Fusionsreaktion kommt nur dann zustande, wenn die elektrische Abstoßung der dabei beteiligten Atomkerne überwunden wird. Während die Teilchen mit der dafür nötigen Energie - schnelle, elektrisch geladene Teilchen, das heißt Ionen, die zusammen mit freien Elektronen ein sogenanntes Plasma bilden - in der Sonne durch die Schwerkraft zusammen gehalten werden, lässt sich ein solches Plasma auf der Erde nur durch starke Magnetfelder oder aber Trägheitskräfte einschließen. Die Fusionsforschung in Europa konzentriert sich auf den Magneteinschluss, während in den USA auch die Trägheitsfusion verfolgt wird.

Die Komplexität der äußerst anspruchsvollen Technologien, die zur Realisierung des Fusionsprozesses notwendig sind, wurden in den Anfangsjahren der Fusionsforschung unterschätzt. Seit längerem ist man sich dessen jedoch bewusst und versucht, durch internationale Kooperation das nötige Wissen zu bündeln. So ist die Fusionsforschung zu einem Paradebeispiel internationaler Zusammenarbeit geworden, die insbesondere im vergangenen Jahrzehnt zu wesentlichen Fortschritten und Erfolgen geführt hat. Unter anderem wurde ein wichtiges Etappenziel erreicht, nämlich Fusionsleistungen von mehreren Megawatt zu realisieren und dabei ganz dicht an den so genannten "break-even"-Punkt heran zu kommen, bei dem die Fusionsleistung, die im Plasma erzeugt wird, der eingesetzten Heizleistung entspricht. Auf dieser insbesondere an der europäischen Versuchsanlage JET erreichten Basis kann nun mit dem Bau des internationalen Großexperimentes ITER ("Der Weg") begonnen werden, um ein Energie lieferndes Plasma unter kraftwerksähnlichen Bedingungen zu untersuchen.

In Deutschland arbeiten das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), Garching und Greifswald, sowie das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Forschungszentrum Jülich auf dem Gebiet der Fusionsforschung. Ihre Arbeiten sind eingebunden in das europäische Fusionsforschungsprogramm unter Euratom und werden auf internationaler Ebene von der Internationalen Energie-Agentur (IEA) koordiniert. Die Arbeitsgebiete der deutschen Fusionszentren reichen von anspruchsvoller Grundlagenforschung im Bereich der Plasmaphysik bis hin zur Lösung komplexer technologischer Fragestellungen. Organisiert sind sie über die Entwicklungsgemeinschaft Kernfusion sowie im Programm Fusion der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF) mit den folgenden Programmthemen:

• ITER - der nächste Schritt
  Hierzu zählen alle grundlagenphysikalischen und technologischen Vorarbeiten für die Errichtung des nächsten großen Fusionsexperiments ITER in internationaler Kooperation.
  
• Fusionstechnologie
  Dies beinhaltet die Entwicklung von Materialien und Komponenten, die für ein zukünftiges Leistungskraftwerk (im Unterschied zu einem Experimental­reaktor) benötigt werden.
  
• Tokamak-Physik
  "Tokamak" ist diejenige Form des magnetischen Einschlusses von Plasmen, die weltweit am besten erforscht ist und deshalb als Konzept für ITER Anwendung findet. Die gegenwärtige Tokamak-Forschung versucht, die vielfältigen Zustände, die ein Plasma in diesem Einschluss annehmen kann, zu erfassen, zu modellieren, theoretisch zu beschreiben und gezielt zu beeinflussen.
  
• Stellarator-Forschung
  Neben der Tokamak-Linie hat sich die Stellarator-Linie als viel versprechendes Einschlusskonzept etabliert, das im Gegensatz zum Tokamak einen kontinuierlichen Betrieb gestattet. Mit "Wendelstein 7-X" wird in Greifswald das weltweit am weitesten fortgeschrittene Experiment dieses Typs realisiert.

Für diese Arbeiten werden unter anderem die folgenden Großanlagen und -einrichtungen eingesetzt:

• ASDEX Upgrade, ein Tokamak-Experiment des IPP, das auch von anderen europäischen Fusionslaboratorien intensiv genutzt wird.
  
• TEXTOR, ein Tokamak-Experiment des Forschungszentrums Jülich mit Beteiligung belgischer und niederländischer Partner
  
• TOSKA, die Tieftemperatur-Testanlage für supraleitende Magnetspulen am Forschungszentrum Karlsruhe
  
• Das Tritiumlabor Karlsruhe (TLK), eine europaweit einzigartige Einrichtung zur Handhabung von Tritium für die Verfahrensentwicklung
  
• Wendelstein 7-X, das weltweit bedeutendste Stellaratorexperiment (im Bau)

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  Aus dem Themenbereich Forschung

  ITER - auf neuen Wegen in der Fusionsforschung

  Das internationale Fusionsexperiment ITER (lat.: der Weg) soll nach der am 28. Juni 2005 erzielten Einigung zwischen den internationalen Partnern (Europäische Union, China, Russland, Japan, USA, Indien (seit 12/2005)und Süd-Korea) in Cadarache, Frankreich gebaut werden. Mit ITER wird erstmals eine Fusionsanlage entstehen, die einen Netto-Energiegewinn erzielen kann. ITER stellt damit einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einem kommerziellen Fusionskraftwerk dar.
  mehr (URL: http://www.bmbf.de/de/2270.php)
   
  
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  Aus dem Themenbereich Forschung

  Wendelstein 7-X

  Im Gegensatz zu dem weltweit am besten untersuchten sogenannten Tokamak-Prinzip zum Einschluss des Fusions-Plasmas erlaubt das Stellarator-Prinzip einen kontinuierlichen Betrieb. Das bislang größte und fortgeschrittenste Experiment nach diesem Prinzip wird derzeit am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald aufgebaut.
  mehr (URL: http://www.bmbf.de/de/2272.php)