Schon länger nichts mehr gehört von der Kernfusion? Die Zeiten sind vorbei. Erst Ende Januar hatten Physiker des Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien einen wichtigen Fortschritt auf dem Weg zur Verschmelzung von Atomkernen mittels Laserbeschuss verkündet. Diese sogenannte Trägheitsfusion ist einer der beiden hauptsächlich verfolgten Ansätze, um die Kernverschmelzung zur Energiegewinnung nutzbar zu machen. Kernfusionsprozesse lassen die Sonne und die meisten Sterne leuchten. Ließen sie sich technisch auf der Erde beherrschen, hätten wir eine saubere, klimaneutrale und praktisch unerschöpfliche Energiequelle.

Am 9. Februar nun hatte der andere Ansatz zur Verwirklichung dieses Ziels seine große Stunde: die Kernfusion per magnetischem Einschluss. Wissenschaftler des Versuchsreaktors JET (Joint European Torus) im englischen Culham stellten Resultate aus Experimenten vor, bei denen es gelang, eine selbsterhaltende Fusionsreaktion zu zünden, die rund fünf Sekunden lang insgesamt 59 Megajoule an Energie produzierte. Damit brach JET seinen eigenen Rekord aus dem Jahr 1997, als in fünf Sekunden 22 Megajoule Fusionsenergie frei wurden.

Nun sind 59 Megajoule der Energieinhalt von etwa 1,7 Liter Benzin. Doch sie wurden in einer Brennstoffmenge von lediglich 0,1 Milligramm Tritium im Gemisch mit 0,07 Milligramm Deuterium freigesetzt. Auf die Brennstoffmenge bezogen, ist die Verschmelzung dieser Wasserstoffisotope zu Helium mehr als sechs Millionen Mal ergiebiger als die Verbrennung von Erdgas und mehr als viermal ergiebiger als die Kernspaltung angereicherten Urans.

Neuer Reaktor in Südfrankreich
Doch ist man auch mit diesem Erfolg noch ein ganzes Stück von einem wirtschaftlichen Kraftwerk entfernt. Denn die grob zehn Megawatt kamen nur heraus, weil die Wasserstoffisotope als ein mehr als hundert Millionen Grad heißes Plasma vorlagen. Um den Brennstoff derart aufzuheizen, waren 33 Megawatt an Heizleistung erforderlich. Das Verhältnis aus erzeugter und hineingesteckter Energie, der sogenannte Q-Plasma-Wert, lag also etwas über 0,3 und war damit kleiner als eins. Um zu beurteilen, wie nah ein Fusionsexperiment an einem Kraftwerk ist, muss die erzeugte Energie zur gesamten aufgewendeten Energie ins Verhältnis gesetzt werden. Dabei ist dann nicht nur die Heizenergie zu berücksichtigen, sondern unter anderem auch der Betrieb der gewaltigen Magnetspulen, deren Felder das Plasma von den Innenwänden des Reaktorgefäßes fernhalten. Dieses Verhältnis, der eigentliche Q-Wert, ist bei wissenschaftlichen Fusionsexperimenten nicht immer sinnvoll abzuschätzen, er liegt aber noch um mindestens eine Größenordnung unter dem Q-Plasma-Wert. Nach Angaben des Eurofusion-Konsortiums ist mit einem „Break-even“, also einem Fusionsreaktor, der wirklich mehr Energie erzeugt, als in ihn hineingesteckt werden muss, erst ab einem Q-Plasma-Wert von zehn zu rechnen.

Hinzu kommt, dass JET sein Plasma tatsächlich nur diese fünf Sekunden lang brennen lassen kann, bevor die kupfernen Magnetspulen überhitzen. Doch mehr sollte die 1984 eingeweihte Anlage auch nie leisten. Der nächste Schritt nach JET ist der multinationale Fusionsreaktor ITER, an dem unter anderem auch die USA, China und Russland beteiligt sind und der derzeit nahe Cadarache in Südfrankreich im Bau ist. Im Jahr 2025 soll die Anlage fertig werden und zehn Jahre später die ersten Deuterium-Tritium-Reaktionen zünden. ITER ist nicht nur bedeutend größer als JET, sondern verfügt auch über mit flüssigem Helium gekühlte supraleitende Magnetspulen. Mit ihm soll ein Q-Plasma-Wert von zehn und damit der „Break-even“ erreicht werden.

Das aktuelle Ergebnis des Testreaktors in Culham ist für dieses Ziel von einiger Bedeutung. Denn zum einen wird bei JET bereits mit Deuterium und Tritium gearbeitet – es ist das einzige Fusionsexperiment mit magnetischem Einschluss weltweit, das dazu in der Lage ist, da Tritium ein kurzlebiges, wenn auch nur ein sehr milde strahlendes Radioisotop ist. Daher bedarf der Umgang damit besonderer Maßnahmen. Nur im JET lässt sich also derzeit das Verhalten eines Plasmas aus echtem Fusionsbrennstoff studieren. Für Athina Kappatou ist das neue Resultat daher ein Meilenstein. Die junge Physikerin vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching war maßgeblich an der Vorbereitung, Koordination und Durchführung des Experiments in Culham beteiligt. „Dieser Rekord zeigt zum ersten Mal, dass wir mit demselben Brennstoffmix, der in künftigen Kraftwerken verwendet wird, ein hohes Fusionsniveau erzeugen und aufrechterhalten können. Wir konnten alle relevanten Prozesse in einem anhaltenden Plasma mit hoher Energieausbeute sehr detailliert untersuchen. Das wichtigste Ergebnis ist eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Experimenten und unseren Computermodellen.“

Kernfusion mit magnetischem Einfluss ist vorhersagbar
Schon zuvor hatte JET gezeigt, dass sich Tritium in unerwünschtem Umfang an Kohlenstoff anlagert, der zuvor als das Material der Wahl galt, um damit die Fusionsreaktorgefäße auszukleiden. „Zum Know-how gehört eben auch, zu wissen, was nicht funktioniert“, sagt Ian Chapman, der Chef der britischen Atomenergiekommission, bei der Vorstellung des neuen Ergebnisses. So wurde dank der Erfahrungen am JET beschlossen, die Wände von ITER statt mit Kohlenstoff mit Beryllium auszukleiden – und einen speziellen Abschnitt am „Fußboden“ des Reaktors mit Wolfram. Seit 2011 ist auch JET mit diesen Materialien versehen, sodass die aktuellen Ergebnisse auf die Verhältnisse bei ITER übertragbar sind. Und in der Tat, die Versuche zeigten drastisch geringere Tritiumablagerungen an den Reaktorwänden. Allerdings verschlechterte der „Tapetenwechsel“ im Torus nun andere Parameter – diese Probleme konnten aber gelöst werden, wie Kappatou und zwei Kolleginnen während der detaillierten Vorstellung der Ergebnisse darlegten.

Solche Resultate machen die Forschergemeinschaft nun zuversichtlich, mit ITER das große Ziel auch tatsächlich erreichen zu können, und sie sind daher wichtiger als der numerische Sprung von 22 auf 59 Megajoule. Dieser Wert ist für die Forscher vor allem deswegen schön, weil sie ihn erwartet hatten. „Das Ergebnis ist keine Überraschung“, sagt ITER-Chefwissenschaftler Tim Luce. „Es ist eine Vorhersage. Das bedeutet, Kernfusion mit magnetischem Einschluss ist vorhersagbar geworden.“

Das war nicht immer so gewesen und ist ein Grund dafür, warum die Erwartung der energiehungrigen Öffentlichkeit von der Plasmaphysik immer und immer wieder enttäuscht wurde. Während es bei der Kernspaltung nach der Entdeckung des Effektes 1938 durch Otto Hahn, Lise Meitner und Fritz Straßmann nur wenige Jahre dauerte, bis man in Amerika den ersten Kernreaktor kritisch bekam, wird an der Kernfusion bereits seit 1951 geforscht, und seit mindestens 1980 müssen sich die Plasmaphysiker den Witz mit der „Fusionskonstante“ anhören: Bis zu einem laufenden Fusionskraftwerk dauere es noch etwa 30 Jahre, hieß es damals und heißt es noch heute. Tatsächlich, das erste Versuchskraftwerk, ein Projekt namens DEMO, das dem ITER nachfolgen soll, wird nach aktueller Schätzung anno 2055 die ersten Fusionsreaktionen zünden.

„Plasmadiagnostik ist eine Wissenschaft für sich“
Ist dieser Zeithorizont diesmal realistisch? Die Zunft kämpft seit Jahrzehnten mit der Komplexität magnetisch eingeschlossener Plasmen und ihren Neigungen zu immer neuen Instabilitäten und anderen Effekten, die unversehens auftauchten. „Aber in den letzten Jahrzehnten ist die Technologie viel weiter gekommen“, sagt Athina Kappatou. „Wir können das Plasma besser und genauer messen – Plasmadiagnostik ist eine Wissenschaft für sich –, und unser Verständnis, wie das Plasma sich verhält und die verschiedenen Effekte, die dieses Verhalten definieren, haben sich enorm weiterentwickelt.“ Kappatou erwartet daher nicht, dass beim Schritt von JET zum vom Plasmavolumen her mehr als zehnmal größeren ITER neue Phänomene mit unliebsamen Überraschungen auftreten. Trotzdem wird schon lange nicht nur die bei JET und ITER verwendete Technik zum magnetischen Plasmaeinschluss verfolgt, das Konzept der sogenannten Tokamaks. Es gibt daneben auch noch das Prinzip „Stellarator“, das etwa am Standort des IPP in Greifswald erforscht wird – allerdings noch nicht mit tritiumhaltigen Plasmen. Stellaratoren haben gegenüber Tokamaks einige Vorteile, arbeiten aber mit wesentlich komplexeren Magnetfeldern, und mit ihnen hat man noch keine ganz so lange Erfahrung. Es gebe auch Konzepte für Versuchskraftwerke mit einem Stellarator als Reaktor, sagt Athina Kappatou. „Falls wir für die Tokamak-Linie doch noch einen Show-Stopper finden, wäre das eine attraktive Alternative. Daher verfolgen wir das Konzept auch weiterhin.“

Die an JET und später bei ITER gewonnenen Erkenntnisse seien auch für die Weiterentwicklung der Stellaratoren wertvoll – und ebenso für einen neuartigen kompakten Tokamak namens SPARC, an dem in den USA gearbeitet wird. Anders als ITER, der mit gewöhnlichen Supraleitern arbeiten wird, die eine aufwendige und daher effizienzmindernde Kühlung mit flüssigem Helium benötigen, soll SPARC mit Magnetspulen aus Hochtemperatur-Supraleitern laufen. „Auch wenn wir alle das Glück haben, dass SPARC den Break-even zeigen kann, gibt es noch viele weitere Aspekte, die man erforschen muss“, sagt Kappatou. „Auch dafür ist ITER notwendig.“

Die Trägheitsfusion mit Laserstrahlen schließlich sei mit den Magneteinschluss-Konzepten nur schwer zu vergleichen, sagt Kappatou. „In der Wissenschaft lernt man voneinander. Jedoch ist die Trägheitsfusion, wenn sie den Break-even erreicht hat, noch viel weiter entfernt von einem stromerzeugenden Reaktor mit magnetischer Fusion.“ Ein solcher aber sei nach den jüngsten Fortschritten absolut in Reichweite, sagt Athina Kappatou. Noch zu ihren Lebzeiten, hofft sie, wird es kommerzielle Fusionskraftwerke geben.