Mini-Fusionsreaktoren schwer realisierbar

Deutsche Welle: In diesem Jahr haben Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) das Design eines geradezu handlichen Tokamak Versuchsreaktors veröffentlicht, der nur noch sechs Meter im Duchmesser hatte. Ein Sprecher der Gruppe sagte, das Design könne schon in zehn Jahren marktreif sein. Schon zuvor hatte Lockheed Martin eine ähnliche Ankündigung gemacht - sind solche Modelle realistisch?

Klaus Hesch: Das illustriert, so wie es dargestellt ist, was man machen könnte wenn… Aber es ist natürlich auch sehr viel Science-Fiction dabei. Bei dem, was dort vorgestellt wurde, hat man einfach bei bestimmten Dingen unterstellt, dass sie einfach gelöst werden - wo wir im Moment noch nicht sehen, wie man das überhaupt lösen kann.

Zum Beispiel spielt das MIT mit der Idee, dass man die Magnetspulen auseinandernehmen kann. Dazu muss man aber wissen, dass die Hochtemperatur-Supraleiter eigentlich Keramiken sind. Man bringt sie in sehr dünnen Schichten auf eine metallische Trägerstruktur auf. Man kann diese Supraleiter nur in gewissen Grenzen formen. Spulen müssen sowohl gewickelt als auch geflochten werden, um bestimmte Wirbelströme zu vermeiden. Das ist nicht ganz einfach. Und man hat hunderte Supraleiter.

Hier müsste dann eine leitende Verbindung dran. Das eine wahnsinnige technische Herausforderung. Es gibt dafür noch nicht einmal ansatzweise Konzepte, wie man das machen könnte.

Auf dem Reißbrett sieht es gut aus, aber die Realität ist doch anders…

Das ist ein Kritikpunkt an dem Ansatz: Sie lassen einen Systemcode laufen. Das ist ein Rechenmodell, das bestimmte physische Parameter der Fusion, von denen man die Gesetzmäßigkeiten kennt, miteinander in Beziehung setzt und dann drehen Sie ein bisschen an den Parametern und dann ändert sich das ganze System. Das Problem ist nur, dass solch ein Systemcode völlig losgelöst ist von der technischen Realisierungmöglichkeit.

Aber das heißt nicht, dass die Hochtemperatur-Supraleitung damit nicht relevant für zukünftige Fusionsreaktoren ist…

Die Hochtemperatur-Supraleitung hat wirklich ein sehr großes Potential in der Fusion: Man hat insgesamt einen größeren Spielraum beim Design. Man kann entweder den Temperaturspielraum nutzen oder man kann den Spielraum nutzen, um höhere Ströme und höhere Felder zu erzeugen oder einfach, um Sicherheitsmargen einzubauen.

Man kann ihn auch nutzen, um den Bauraum und die Stützstrukturen zu verkleinern. Es gibt also ein Sammelsurium an Möglichkeiten, die die Hochtemperatur-Supraleiter eröffnen. Es ist eine Frage des detailierten Designs und parametrischer Studien herauszufinden, wo das Optimum in der Anwendung liegt, und wie man es danach auch technologisch realisierten kann. Wir hoffen, dass in der Praxis der nächste Fusionsreaktor mit Hochtemperatur Supraleitung gebaut wird.

Wo liegen denn weitere Herausforderungen bei der Gestaltung der derzeitigen Reaktoren?

Wenn man so eine Anlage konstruiert und zu betreiben versucht, gibt es noch ein anderes Problem: Der sogenannte Power Exhaust - also die Frage: Wie führe ich die Energie letzten Endes ab? Und man muss auch das stofflich verbrauchte Plasma abführen. Bei der Fusion setzt man Deuterium und Tritium um, und dabei kommt Helium heraus und ein Neutron.

Wenn man Brennstoff verbraucht ist es wie bei einem chemischen Brennstoff: Wenn er weg ist, ist er weg. Die Asche ist in dem Fall das Helium und das brennt nicht mehr. Es muss also raus, und es muss frischer Brennstoff zugeführt werden, sonst erlischt das Ganze.

Wo es herausgeholt wird, wird es verdammt heiß, denn da trifft das, was vom Plasma übrig ist, auf eine Wand. Und da treten sehr, sehr große Wärme- und Teilchenflüsse auf. Das ist an der Grenze des Machbaren.

Bei ITER können wir es realisieren, weil wir nur die Wärme- und Teilchenflüsse haben und die Neutronenflüsse, die auch auftreten noch etwas ignorieren können, weil ITER ein Experiment ist, das nur ein bis drei Prozent der Zeit überhaupt läuft und ansonsten nichts tut. Für ein Kraftwerk im Dauerbetrieb können Sie das aber nicht so machen. Deswegen haben wir bei ITER eine Lösung für diesen Divertor, für ein Kraftwerk haben wir das noch nicht so richtig. Auch im MIT-Entwurf gibt es definitiv keine Lösung für das Divertor-Problem.

Wie heiß wird es denn an den Bauteilen um das Plasma herum?

Am Divertor wird es am heißesten. Da wollen wir Wolfram einsetzen. Das hat einen Schmelzpunkt von über 3000 Grad Celsius. Wir wollen es bei etwa 2000 Grad betreiben. Da glüht es schon kräftig, ist aber noch stabil. Beim Blanket - also dem Rohr das das Plasma umgibt - überlegen wir, ob wir mit einer einfachen Stahlstruktur hinkommen. Normaler Stahl hält Temperaturen bis 550 Grad aus. Spezialstähle halten 600 bis 700 Grad aus. Für ITER sind wir derzeit an der Grenze. Für ein echtes Kraftwerk überlegen wir noch, wie man es machen könnte.

Wie vertragen sich denn diese hohen Temperaturen überhaupt mit der Kühlung der supraleitenden Magneten? Ist das nicht ein Widerspruch?

Zunächst ist es die Kunst des Plasmaeinschlusses. Plasma verhält sich nicht wie ein Gas, das in der Mitte heiß wird und die Wärme nach außen abgibt, sondern eigentlich hält es die Wärme innerhalb weniger gedachter Schlauchflächen fest. Das ist der Plasmaeinschluß. Im Kern herrschen Temperaturen von 150 Millionen Grad Celsius. Das starke Magnetfeld, das das Plasma an seinem Ort hält, ist eine komplizierte und sehr anspruchsvolle Sache.

Außen muss man gut kühlen. Die Fusionskammer hat eine innere Auskleidung, ein Brut-Blanket. Bei ITER besteht es aus Beryllium. Dieses hat zwei Hauptfunktionen: Es liefert durch eine katalytische Reaktion mit Lithium das für die Fusion benötigte Tritium und vermehrt auch die dafür nötigen Neutronen.

Das entscheidende ist, dass man die ganze Wärme von diesem Blanket, das eine Dicke von etwa einem Meter hat, weg-kühlt. Dahinter kommt dann das Vakuumgefäß und da außenherum sind die Magnetspulen und die haben eine eigene Struktur, wo sie auf die Flüssig-Heliumtemperatur heruntergekühlt werden.

Wie geht es mit der Kernfusion weiter?

ITER ist der nächste Schritt mit dem wir zeigen wollen, dass Fusion mehr Energie liefern kann, als man reinsteckt, um das Plasma zu heizen. Das ist die Funktion von ITER. Das zu zeigen und zu untersuchen, wie sich ein brennendes Plasma verhält, das aus sich selbst heraus heizt. Der nächste Schritt wäre dann, einen Demonstrationsreaktor zu bauen, der tatsächlich Elektrizität produziert.

Und wir müssen diesen Schritt jetzt schon vorbereiten, weil es alles Entwicklungen sind, die sehr lange brauchen. Man braucht grobgeschätzt zehn Jahre um eine Anlage dieser Komplexität zu designen - optimistisch geschätzt. Dann muss man es bauen. Das dauert auch grob geschätzt zehn Jahre oder auch länger, wie man an vielen Großprojekten sieht. Dann muss man das Ding in Betrieb nehmen - man ist da locker bei Jahrzehnten. Aber wir haben ja für einen solchen Reaktor noch lange nicht alle Voraussetzungen. Einen Teil werden wir uns über ITER erarbeiten. Andere Dinge wird ITER nicht lösen. Vor allem ist das die Frage nach Materialien und Technologien, die einen Dauerbetrieb aushalten.

Das Interview führte Fabian Schmidt

Dr. Klaus Hesch ist Sprecher des Programms Fusion am Karlsruhe Institut für Technologie (KIT).