Die Energie der Sonne auf die Erde holen, das ist der Traum bei der sogenannten Kernfusion. Und die verspricht saubere, nahezu unerschöpfliche Energie. Aber technologisch ist es noch ein weiter Weg bis zum ersten Fusionskraftwerk. Und darum geht es heute bei uns hier im Spektrum Podcast. Mein Name ist Marc Zimmer. Schön, dass ihr dabei seid.
Ganz vereinfacht gesagt, ist die Sonne ja ein gigantisches Kraftwerk. Denn in ihrem Inneren verschmelzen Atomkerne miteinander, und die setzen dann enorme Mengen Energie frei. Und seit Jahrzehnten träumt die Menschheit davon, dieses Prinzip auf der Erde nachzubauen. Denn das hätte viele Vorteile: Energie aus winzigen Mengen Brennstoff zum Beispiel, unabhängig von Wind und Sonne und ohne die Risiken klassischer Kernkraftwerke. Die sogenannte Kernfusion gilt deshalb seit Jahrzehnten als große Hoffnung für die Energieversorgung der Zukunft.
Aber obwohl das Prinzip eigentlich klar ist, scheitern wir auch seit Jahrzehnten daran, ein echtes, ja, wirtschaftlich nutzbares Kraftwerk daraus zu machen. Warum ist dieser Traum vom Fusionskraftwerk immer noch genau das, nämlich ein Traum? Wo fehlt es eigentlich? Was müsste passieren? Oder stehen wir vielleicht schon kurz vor einem Durchbruch? Das sind Fragen, mit denen sich Mike Zeitz in den letzten Monaten beschäftigt hat. Der ist Physiker und leitet die Redaktion Physical Sciences bei Spektrum der Wissenschaft. Und heute ist er mal wieder hier im Podcast.
Hallo Mike! Hallo Marc! Ja Mike, was genau ist denn die Kernfusion und warum ist das Ganze von der Idee her so vielversprechend? Ja, du hast es gerade schon gesagt. Die Kernfusion ist das, was unsere Sonne im Innersten antreibt. Also die Kernfusion ist der Motor der Sonne. Im Wesentlichen ist das eine Reaktion zwischen Atomkernen. Also die Sonne besteht aus sehr viel Wasserstoff, und die Kerne von Wasserstoffatomen sind Protonen. In der Sonne verschmelzen diese Protonen nach und nach, und daraus wird Helium im Laufe der Zeit. Dabei wird enorm viel Energie frei.
Also die Kernfusion ist so wahnsinnig effizient. Man sagt immer, ein Gramm Brennstoff, ein Gramm von diesen Protonen entspricht etwa elf Tonnen Kohle, so rein von der Energie, die dabei frei wird. Also würde man elf Tonnen Kohle verbrennen, hätte man etwa so viel Energie, wie frei wird, wenn ein Gramm von diesem Fusionsbrennstoff verschmilzt. Und das passiert in der Sonne schon seit so etwa fünf Milliarden Jahren und wird wahrscheinlich noch so fünf Milliarden Jahre weitergehen. Also es ist enorm effizient, enorm langanhaltend, und das ist natürlich, seit man so in den Anfängen des 20. Jahrhunderts herausgefunden hat, wie das Prinzip funktioniert, ein wahnsinniger Antrieb für die Menschheit, da irgendwie das nachzubauen, das irgendwie auf die Erde zu holen.
Ja, und warum ist das jetzt so schwierig, was da auf der Sonne passiert, wenn man es doch eigentlich quasi verstanden hat, hier auf der Erde nachzubauen? Das Problem ist, so ein Plasma ist enorm energiereich. Also damit zwei Protonen miteinander verschmelzen, müssen sie mit einer ganz, ganz großen Geschwindigkeit mit einem riesigen Druck aufeinanderstoßen, um ihre gegenseitige Abstoßung zu überwinden. Und diese schnellen, extrem energiereichen Teilchen, die muss man irgendwie einschließen, dass einem das nicht alles um die Ohren fliegt. Sonst hält man eine Wasserstoffbombe.
Und in der Sonne, da passiert das einfach durch die unglaubliche Masse der Sonne. Die Sonne ist ja sehr groß, sehr massereich, und die Gravitation der Sonne hält in ihrem Kern dieses Plasma gefangen, drückt das alles zusammen, und deswegen funktioniert das in der Sonne. Auf der Erde können wir so einen Druck nicht aufbauen. Und deswegen muss man das Plasma, das sind geladene Teilchen, irgendwie anders hier einschließen auf der Erde. Und da ist der Gedanke, also zumindest der, der am häufigsten verfolgt wird, dass man Magnetfelder nimmt. Denn so ein Magnetfeld kann geladene Teilchen auf gewisse Bahnen zwingen.
Und wenn man die Magnetfelder richtig anordnet, das geschickt macht, dann kann man so eine gewisse Temperatur erreicht haben, die man braucht. Und dann theoretisch verschmelzen diese Teilchen, diese Wasserstoffkerne in dem Plasma. Dann entsteht wieder Helium, dann hat man die ganze Energie, die dabei rauskommt, und dann kann man diese Energie auch auf der Erde nutzen. Das ist zumindest der Gedanke.
Jetzt gibt es natürlich so ein paar praktische Probleme. Also zum einen diese Proton-Proton-Reaktion, die in der Sonne passiert, aus den reinen nackten Wasserstoffkernen, die ist nicht so mega effizient. Also da braucht man schon etwas anderes Brennstoffgemisch, um das bei etwas niedrigeren Temperaturen zu schaffen, dass es etwas häufiger passiert. Das heißt, man braucht bestimmte Wasserstoffvarianten und vor allem braucht man viel höhere Temperaturen als in der Sonne, weil du hast in der Sonne diesen gigantischen Druck, und den kannst du auf der Erde eben nicht erzeugen. Den kannst du auch nicht durch Magnetfelder erzeugen.
Das heißt, du hast ein Plasma mit sehr niedrigem Druck und das braucht umso höhere Temperaturen, dass die Kerne der Wasserstoffatome trotzdem noch aufeinandertreffen und verschmelzen. Das heißt, man braucht so ein paar Extra Bedingungen quasi auf der Erde, und die sind nicht so ganz leicht zu erreichen. Also man hat sich so in den 1950er Jahren gedacht: Ja, bauen wir halt mal so ein paar Magnetkäfige, schließen so ein Plasma ein, gucken, was passiert. Aber so ein Plasma ist extrem schwierig zu kontrollieren. Es ist extrem instabil, und das war technologisch immer und ist auch immer noch eine Riesenherausforderung.
Und deswegen wurden diese Magnetkäfige, die das Plasma einschließen, immer größer, immer komplizierter und immer teurer. Und du hast dich jetzt monatelang mit dem Thema beschäftigt und auch mehrere kleine Reisen gemacht. Du hast nämlich drei Projekte besucht, die trotz aller Schwierigkeiten, die du gerade genannt hast, das versuchen mit dem Fusionskraftwerk oder zumindest sich dem zu nähern. Und du warst dafür unter anderem, fangen wir vielleicht mal da an, in Frankreich. Wo denn? Was hast du da dir angeschaut?
Ja, genau, fangen wir mit dem schönsten Ort an. Ich war in der Nähe von Marseille in Südfrankreich, in der Provence, im Sommer, wirklich schön, sehr empfehlenswert. Und so eine Autostunde vor Marseille, da ist ein Ort, sonst nicht viel, aber da entsteht der ITER. Wir haben uns vor einigen Jahren schon mal in diesem Podcast über den ITER unterhalten, und jetzt war ich mal tatsächlich zum ersten Mal dort. Und das ist faszinierend. Das ist eine riesige Baustelle, und ITER steht für Internationaler Thermonukleare Experimentalreaktor. Schwieriges Wort! Also ITER, kurz auch lateinisch für „der Weg“, und der ist auch ziemlich lang.
Und diese riesige Baustelle soll irgendwann mal ein riesiger und zwar der weltweit größte Kernfusionsreaktor werden. Das heißt, da baut man so ein Gerät, eben so einen riesigen Magnetkäfig, der Plasma einschließt, und in diesem Plasma sollen dann irgendwann Fusionsreaktionen starten. Und damit das alles klappt, hat sich quasi die ganze Welt zusammengetan. Also 30 Nationen oder mehr als 30 Nationen: Europa ist dabei, China, Indien, Japan, Südkorea, Russland und die USA. Die arbeiten alle zusammen an diesem riesen Projekt, an dieser riesigen Baustelle, und versuchen eben dieses gigantische Plasma-Gefäß zu bauen, um dann irgendwann dort Kernfusion zu betreiben.
Und welchen Ansatz verfolgen die da jetzt konkret? Das, was man da baut, das nennt sich Tokamak. Das kommt aus dem Russischen, ist eine Abkürzung, ist im Prinzip eine Bauart, bei dem du in der Mitte einen großen Donut hast, also so einen Ring, in dem dann hinterher das Plasma ist. Und diesen Ring umschließen ganz viele Magnetspulen. Und in der Mitte hast du so eine senkrechte Spule. Das heißt, du hast verschiedene Spulen, die unterschiedlich angeordnet sind, und die erzeugen gemeinsam ein Magnetfeld in diesem hohlen Donut, in dem das Plasma ist.
Und dieses Magnetfeld stabilisiert das Plasma, sodass das eben nicht aus diesem Donut ausbrechen kann oder innerhalb dieses Donuts gefangen bleibt und auch nicht an die Wände schlägt. Das heißt, du hast sehr, sehr viele Spulen. Diese Spulen, das müssen besondere Spulen sein aus Supraleitern. Das heißt, das sind spezielle Materialien, die ein sehr hohes Magnetfeld erzeugen, und du brauchst wenig Strom, um das Magnetfeld aufrechtzuerhalten. Und die müssen sehr, sehr stark runtergekühlt werden. Das macht man dann mit flüssigem Helium.
Das ist ein mega komplexes System, mega komplexes Kühlsystem, was da aufgebaut wird. Und das Plasma braucht in dieser Vakuumkammer eben ein Vakuum. Also man muss erst mal das ganze Gas rauspumpen, damit das Plasma da quasi seine Ruhe hat, nur noch dieser Wasserstoff drin ist. Und dann sind da wenige Gramm Brennstoff in dieser riesigen donutförmigen Kammer. Die sollen dann so ein Plasma erzeugen, und in diesem Plasma sollen dann irgendwann Fusionsprozesse stattfinden.
Das heißt, du hast eine gigantische Konstruktion, die ist wirklich so hoch wie ein mehrstöckiges Haus aus riesigen Stahlteilen. Das ist Wahnsinn! Also da ist so viel Stahl verbaut wie im Eiffelturm, habe ich mir mal ausgerechnet. Und mega komplexe Systeme. Du hast außen diese extrem tief gekühlten Magnetspulen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt. Du hast da drin ein Vakuum in dieser Plasmakammer. In diesem Plasma selbst hast du 100 Millionen Grad. Das ist zehnmal heißer als die Sonne. Du hast also quasi den heißesten Punkt unseres Sonnensystems in dieser Plasmakammer hinterher. Eben enorm viel Stahl drumherum. Das ist schon Wahnsinn, das tatsächlich mal persönlich zu sehen.
Aber es gibt eben auch einige Nachteile dieser Bauform. Also grundsätzlich ist das natürlich ein Riesenprojekt. Es ist ein internationales Projekt. Das heißt, es gab, wie es immer so ist bei solchen Projekten, enorme Bauverzögerungen. Es kostet alles total viel. Kritiker sagen, das ist zu groß, das ist zu teuer, das dauert zu lang. Im Tokamak hast du bauartbedingt so ein paar Nachteile. Du hast diese zentrale Spule, ich habe es erwähnt, und die brauchst du, um das Plasma zu stabilisieren. Du hast da einen Strom drin. Dieser Strom erzeugt ein Magnetfeld. Das Magnetfeld erzeugt wiederum im Plasma einen Strom. Und dieser Plasma-Strom stabilisiert das Ganze.
Das heißt, du musst den Strom im Inneren dieser Spule langsam hochfahren, damit dieses Feld entsteht, damit dieser Plasma-Strom induziert wird. Aber du kannst den Strom nicht beliebig steigern. Irgendwann ist halt mal Schluss. Und dann musst du den ganzen Tokamak wieder abschalten und von vorne beginnen. Das heißt, du kannst die Fusionsprozesse, wenn sie denn irgendwann mal da drin klappen, immer nur gepulst betreiben. Also es gibt so ein paar bauartbedingte Nachteile bei so einem Tokamak. Und es ist halt wahnsinnig groß, wahnsinnig teuer. Es steht also auch ganz schön in der Kritik, dieses Projekt.
Ja, deshalb gibt es auch andere Ansätze noch. Du hast ja nämlich auch in Deutschland welche angeschaut, zum Beispiel in München. Und die gehen nochmal so ein bisschen anders an die Sache ran, ne? Ja, genau. Also ich war in München bei einem Unternehmen, bei einem Start-up. Die nennen sich Proxima Fusion. Und die haben auch ein Konzept, wo das Plasma mit Magnetfeldern eingeschlossen werden soll. Aber die setzen auf ein ganz anderes Konzept. Die setzen nicht auf den Tokamak, sondern die setzen auf den sogenannten Stellarator.
Das Konzept ist ähnlich alt wie der Tokamak, so aus der Theorie heraus. Aber man konnte es sehr, sehr lange nicht bauen. Das Problem bei einem Stellarator ist, der ist sehr, sehr komplex aufgebaut, weil du verzichtest bei einem Stellarator auf diese zentrale Spule, die du im Tokamak hast. Und der Stellarator verdrillt das Plasma. Diese Verdrillung ist ja nötig, um es zu stabilisieren. Der verdrillt das Plasma allein durch die Spulen, die du um diesen Donut drum hast. Und dann ist es kein glatter Donut mehr, sondern dann ist es so ein verknoteter, komisch verdrillter Hefekranz.
Und jede einzelne Spule ist anders geformt, ist so ein bisschen verknautscht. Das heißt, du musst jede einzelne Spule mit einem Supercomputer berechnen, wie genau ihr Feld funktioniert, damit hinterher diese Verdrillung da reinkommt, ohne diesen zentralen Magneten. Das ist das Grundprinzip des Stellarators. Ist super kompliziert, geht eben nur mit Supercomputern. Und deswegen gibt es den Stellarator in der Praxis in Forschungsanlagen auch noch nicht so lang.
Also der größte Stellarator steht in Deutschland in Greifswald, nennt sich Wendelstein 7X. Und der ist erst seit 2016 in Betrieb, also erst zehn Jahre. Das heißt, die Tokamaks haben Jahrzehnte Vorsprung vor den Stellaratoren. Aber dieser Wendelstein 7X hat in den letzten zehn Jahren Leistungsdaten erreicht. Da spricht man dann über bestimmte Kennzahlen, wo man so eine Güte von so einem Plasma berechnet und wie nah das quasi dran ist an so einer Fusion. Und diese Kennzahlen, die sind inzwischen so gut wie bei anderen Tokamaks, die schon vor Jahrzehnten in Betrieb gegangen sind.
Also dieser Stellarator Wendelstein 7X, der ist sehr, sehr leistungsfähig. Der schafft es, das Plasma wirklich zu stabilisieren. Du kannst das Plasma lang einschließen, du kriegst ordentliche Temperaturen. Also du kriegst wirklich gute Kennzahlen. Und aus diesen Erfahrungen raus hat sich jetzt so ein Team an diesem Institut, wo der Wendelstein 7X steht, gebildet. Und dieses Team ist quasi eine Ausgründung von diesem Institut und hat gesagt: Okay, mit dem Wissen, was wir jetzt haben, können wir im Prinzip ein Fusionskraftwerk konzipieren. Wir wissen, der Stellarator ist gut genug dafür.
Wir gründen mal eine Firma, um das voranzubringen. Und diese Firma ist Proxima Fusion. Und die versuchen jetzt, einen Demonstrator zu bauen für so ein zukünftiges Fusionskraftwerk auf Basis von Stellaratoren. Und die größte Herausforderung bei so einem Stellarator ist eben die Spule. Also man muss so eine gebogene Spule bauen und das dann ein paar Dutzend Mal, und jede ist anders. Und man muss auch, um es wirtschaftlich betreiben zu können, auf eine besondere Form von Supraleitern setzen, nämlich sogenannte Hochtemperatur-Supraleiter. Die können ein größeres Magnetfeld erzeugen. Das heißt, du kannst die ganze Anlage kompakter bauen.
Dann hast du nicht so ein Riesending wie jetzt beim ITER, sondern das passt dann noch in eine normale Fabrikhalle quasi rein. Diese Hochtemperatur-Supraleiter sind aber extrem schwierig zu handhaben. Die sind sehr spröde. Daraus musst du ganz viele Kabel wickeln, und diese Kabel um diese gewundene Spule rumwinden. Das ist eine enorme technische Herausforderung. Und da sind die jetzt gerade dran, die erste Spule, den ersten Demonstrator zu bauen und zu zeigen: Okay, wir können das. Diese Spule lässt sich bauen, die erreicht die entsprechenden Magnetfelder und alles.
Und dann, wenn diese Spule fertig ist, wollen sie einen Demonstrator bauen. Und dann irgendwann aus diesem Demonstrator mit Experimenten ein Kraftwerk mit ihren Erfahrungen und dann hoffen sie, schneller zu sein als zum Beispiel der ITER. Und Mike, da alle guten Dinge bekanntlich drei sind, haben wir uns auch noch einen dritten Ansatz vorgenommen. Du warst dann noch in Darmstadt und auch da ist nochmal ein anderer Ansatz. Erzähl mal, was machen die noch anders?
In Darmstadt, da war ich bei einem Unternehmen, das nennt sich Focused Energy. Und die verzichten komplett auf Magnete. Also die verfolgen einen komplett anderen Ansatz. Die versuchen, das Plasma nicht einzuschließen mit Magneten, wie es die anderen machen, sondern die wollen quasi das Plasma kontrolliert explodieren lassen. Also die bauen tatsächlich eine kleine Variante von einer Wasserstoffbombe, wenn man so will. Und die benutzen Laser, die sie aus verschiedenen Richtungen auf so eine kleine Kapsel schießen.
In dieser Kapsel ist Brennstoff. Und durch die Energie der vielen, vielen Laser aus verschiedenen Richtungen wird der Brennstoff komprimiert, erhitzt. Und diese Hitze reicht, um eine Fusionsreaktion zu zünden und sich durch diesen Brennstoff durchzufressen, bevor alles auseinanderfliegt. Das klingt total abenteuerlich. Und das ist bisher auch, zumindest was dieses Unternehmen angeht, nur ein theoretisches Konzept. Also die haben noch nichts gebaut, noch kein Kraftwerk gebaut. Aber im Prinzip funktioniert das. Und das weiß man, weil es so eine Anlage in den USA gibt.
Das ist eine Forschungsanlage dort, die National Ignition Facility. Die haben so knapp 200 Laser, die sie eben aus verschiedenen Richtungen auf so eine Kapsel einschießen. Und tatsächlich machen die eigentlich Kernwaffenforschung. Also die zünden mit ihren Lasern dieses Brennstoffgemisch in der Kapsel und gucken, wie quasi so eine Wasserstoffbombe explodiert. Aber gleichzeitig ist das natürlich eine schöne Fusionsreaktion. Da fliegt dann das ganze Zeug nach außen. Vor allem die Teilchen, die dabei entstehen, sind sehr energiereich.
Die fliegen dann quasi in die Wände von der Kammer, in der das alles stattfindet. Und wenn man die Wände, wenn man diese Hitze abnimmt über entsprechende Kühlkreisläufe, dann kann man dieses aufgeheizte Wasser auch am Schluss benutzen, um damit eine Turbine in einem Kraftwerk anzutreiben. Also im Prinzip könnte man das alles für ein Fusionskraftwerk benutzen. Das Problem ist, das hat noch niemand ausprobiert. Also die Fusionsreaktion, die zündet, das hat diese National Ignition Facility in den USA gezeigt. Das klappt mit den Lasern, aber daraus ein Kraftwerk zu bauen, das ist nochmal eine ganz eigene Herausforderung.
Also man kann da Rechnungen anstellen. Das hat auch Focused Energy beispielsweise gemacht. Und wenn man das berechnet, was man bräuchte, um wirklich ein wirtschaftliches Kraftwerk zu bauen, dann brauchst du nicht nur eine Zündung. Also du schießt nicht nur einmal auf so eine Kapsel und dann entsteht Energie und die schaffst du ab und bist glücklich, sondern du brauchst zehn Zündungen pro Sekunde. Das heißt, du brauchst quasi eine Fließbandproduktion von diesen brennstoffgefüllten Kapseln. Die schießt du in diese Kammer rein. Während die Kapsel da durchfliegt, durch die Kammer, schießt du von allen Seiten Laser da drauf. Dann explodiert diese Kapsel.
Du nimmst Energie und quasi in der nächsten zehntel Sekunde fliegt schon die nächste Kapsel rein. Du schießt wieder drauf. Also du brauchst extrem viele Kapseln, 864.000 Stück sind das, wenn du so einen Tag durchrechnest, wie viel Sekunden er hat, mal zehn. Und du brauchst auch sehr viele Laser, die du aus verschiedenen Richtungen draufschießt. Die Kapseln sind erstaunlicherweise gar nicht mal so sehr das Problem. Ich habe mir da auch bei Focused Energy die Fertigungshallen angeguckt, wo die so testweise verschiedene Kapseln herstellen, wie sie die charakterisieren. Das sieht alles schon ganz gut aus.
Das Problem sind die Laser. Also Focused Energy sagt, die brauchen 1152, war glaube ich die Zahl, Laser. Und das müssen Hochleistungslaser sein. Die gibt es noch gar nicht am Markt. Also die rechnen im Moment mit Sachen, die es tatsächlich noch nicht gibt. Das müsste die Industrie erst mal produzieren. Diese Laser, die sind extrem teuer, und so ein Fusionskraftwerk, wie sie sich ausdenken, das würde viele Milliarden Euro kosten. Allein weil die Laser auch schon so teuer sind. Also da sind noch sehr, sehr viele offene Fragen. Auf dem Papier funktioniert das alles.
Aber wir wissen, gerade in der Fusionsforschung, wenn man dann mal so ein Experiment aufbaut, dann funktioniert das nicht immer, wie man sich vorher überlegt hat. Das heißt, da sind auch noch riesige technische Hürden. Die technologische Reife ist noch gar nicht so groß. Wenn wir jetzt, du hast das Projekt in Frankreich angesprochen, was ja eine internationale Zusammenarbeit ist, und dann jetzt zwei Projekte aus Deutschland. Wenn man noch mal so ein bisschen rauszoomen und mal so global gucken, gibt es da schon richtig vielversprechende Projekte, was jetzt die Kernfusion angeht?
Also das vielversprechendste und größte ist sicherlich ITER, weil die relativ weit sind und auf eine sehr bewährte Technologie setzen. Mit dem Tokamak, der ist erprobt. Die haben auch keine fancy Hochtemperatur-Supraleiter, sondern ganz klassische Supraleiter. Die lassen sich einfach fertigen, vergleichsweise. Also der ITER ist schon so die konservativste Herangehensweise. Und insofern, wenn man konservativ denkt, das vielversprechendste Projekt. Aber es dauert halt noch ewig, bis der fertig ist. Das soll irgendwann in den 2030ern so sein. Und dann ist der noch lange kein Kraftwerk.
Und deswegen gibt es auch einige andere Start-ups, auch anderswo auf der Welt, die sagen: Ja, wir können das besser, wir können das schneller. Es gibt beispielsweise eins in den USA, das nennt sich Commonwealth Fusion Systems. Diese Abkürzung sind mir immer lieber: CFS. Und CFS sagt, wir bauen auch ein Tokamak, aber wir bauen diesen Tokamak mit Hochtemperatur-Supraleitern. Das heißt, wir können auch viel kompakter bauen. Und die behaupten schon, fast fertig zu sein mit ihrem Experimentalreaktor. Wenn wir Glück haben, startet der nächstes Jahr. Und 2027 könnten wir dann tatsächlich beobachten, ob es funktioniert oder nicht.
Das wäre auch noch kein Kraftwerk, aber das wäre zumindest ein Reaktor, der zeigen würde, dieses Konzept mit den Hochtemperatur Supraleitern funktioniert. Man kann einen Tokamak einfacher, kompakter bauen. Und dann kämen wir vielleicht mit diesem Prinzip schneller zu einem Kraftwerk. Und es gibt natürlich auch in vielen anderen Ländern Experimentalreaktoren. Es gibt auch viele Start-ups. In Großbritannien gibt es einige, in Frankreich gibt es viele, in Japan. Also da passiert schon enorm viel.
Das Land, wo alle im Moment drauf gucken, aus der Community, mit denen ich gesprochen habe, alle aus der Branche gucken auf China. China verfolgt eine sehr aggressive Strategie was die Fusionsforschung angeht. Aggressiv in dem Sinn, die haben in ihrem aktuellen Fünfjahresplan gesagt: Fusionsforschung ist jetzt für unseren Staat eine zentrale Säule der zukünftigen Energieversorgung. Also pumpen wir da ganz viel Kapazitäten rein. Es gibt sehr, sehr viele staatliche Forschungsprojekte. China ist auch Teil von dem ITER-Konsortium. Das heißt, die haben auch schon seit 20 Jahren Erfahrung gesammelt dort mit Materialien und Bauweisen.
Das heißt, viele staatliche Großprojekte. Es gibt viele Start-ups. Also auch in China gibt es kommerzielle Unternehmen, die dann sehr viel Geld dafür eingesammelt haben. Die bauen Tokamaks mit normalen Supraleitern. Die bauen Tokamaks mit Hochtemperatur-Supraleitern. Die bauen Stellaratoren. Ein Projekt will so wie Wendelstein 7X hinterher aussehen. In den 2030er Jahren wollen die fertig sein. Dann gibt es auch eine Laserfusionsanlage, die in China gebaut wird. Also in China, da gucken gerade sehr viele drauf, weil die auch die ganze Prozesskette beherrschen.
Also die Herstellung der Supraleiter, das können die alles selbst. Und einige sagen auch schon: Vielleicht kaufen wir in Zukunft unsere Fusionskraftwerke in China. Aber da muss es erstmal so weit kommen. Also auch China hat noch einen riesigen Lernrückstand, was die Technologie angeht. Die Dinger sind alle noch nicht fertig. Nächstes Jahr sollen die ersten Reaktoren getestet werden, die quasi so einen Energiegewinn, einen Gain, sagt man, demonstrieren können. Das heißt, du kriegst mehr Energie aus dem Plasma raus, als du zur Heizung des Plasmas reinsteckst. Und das soll nächstes Jahr in China in einem Reaktor demonstriert werden. CFS will das auch demonstrieren.
Also das nächste Jahr könnte in der Hinsicht sehr spannend sein. Aber auch dann sind wir immer noch sehr, sehr weit weg von einem tatsächlich funktionierenden Kraftwerk. Also das sind bisher alles nur bessere Grundlagenforschungsanlagen. Es ist alles noch kein Kraftwerk, was wirklich Strom ins Netz speist.
Ja, wenn du nochmal so ein bisschen allgemein auf die größten Herausforderungen eingehen müsstest, welche sind denn das? Und du hast ja schon ein bisschen geschildert, man hat auch was geschafft in den letzten Jahren natürlich. Aber was sind so die großen Punkte, an denen es noch hängt? Also es gibt diverse Fragen. Die eine betrifft eine scheinbar banale Frage, nämlich die Brennstoffversorgung. Der Brennstoff, den du in so einem Kraftwerk verwendest, ist ein anderer als in unserer Sonne. Ich habe es eingangs gesagt, du brauchst andere Wasserstoffvarianten, die bei etwas niedrigeren Temperaturen ein bisschen bereitwilliger fusionieren. Diese Wasserstoffvarianten nennt man Deuterium und Tritium. Deuterium ist kein so großes Problem, das findet man überall auf der Erde.
Tritium und seine Herausforderungen
Tritium ist das große Problem. Tritium ist ein Wasserstoffkern, wo noch zwei Neutronen drinstecken. Der ist radioaktiv und das heißt, mit so einer Halbwertszeit von zwölf Jahren, sind es, glaube ich, existiert er nicht sehr lange. Es gibt auf der Erde natürlich praktisch kein Tritium. Die einzige Quelle, wo man dieses Tritium herkriegt, sind Kernspaltungsreaktoren, die mit schwerem Wasser betrieben werden. Da gibt es in Kanada einen, in Indien gibt es welche. Die stellen quasi so als Abfallprodukt Tritium her, aber die Weltvorräte sind so ein paar Kilogramm. Und die reichen bei weitem nicht für ein Fusionskraftwerk.
Das heißt, ein Fusionskraftwerk der Zukunft muss dieses Tritium selbst erbrüten, sagt man. Das heißt, du benutzt Neutronen, die bei der Fusionsreaktion entstehen. Die fliegen nach außen und treffen dann auf Blankets, sagt man, also so Flächenplättchen, wo Lithium drin ist. Dieses Lithium, da gibt es eine Kernreaktion, da entsteht dann Tritium raus. Das ist auch relativ viel Theorie bisher nur. Also man weiß noch gar nicht, kann sich ein zukünftiger Fusionsreaktor tatsächlich selbst mit seinem Tritium, was er braucht, versorgen? Das muss alles noch erprobt werden.
Neutronen und ihre Auswirkungen
Das ist die eine offene Frage. Die andere offene Frage, das ist ein Riesenproblem, sind die Neutronen. Neutronen entstehen bei der Fusionsreaktion von Deuterium und Tritium. Das will man auch haben. Die tragen nämlich sehr, sehr viel Energie nach außen. Aber Neutronen sind auch wirklich notorisch berüchtigt dafür, dass sie Materialien zerstören. Also wenn so ein Neutron in irgendein Material reinschießt, dann verändert das die atomare Struktur dieses Materials.
Gerade so ein spröder Supraleiter, da weiß man nicht genau, wie verhält er sich unter so einem ständigen Neutronenbeschuss. Geht der nach einem Jahr kaputt und muss man da eine neue Spule bauen? Muss man alles wieder auseinanderbauen? Das weiß man noch gar nicht. Also es gibt nur sehr, sehr wenige Experimente bisher mit echtem Brennstoff, weil du hast dann Radioaktivität, ganz andere Genehmigungsverfahren. Es wird alles viel schwieriger.
Radioaktivität und Sicherheitsaspekte
Das ist ein großes Problem. Man weiß noch nicht, wie verhält sich das Ganze unter den Neutronen, unter dem Neutronenbeschuss. Man hofft einfach, es geht schon alles gut. Und die Radioaktivität, ich habe es gerade angesprochen, die ist zum Glück kein so ganz großes Problem. Also du hast zwar durch die Neutronen dann aktivierte Materialien, sagt man. Also es wird dann so ein bisschen radioaktiv. Aber das strahlt alles nicht so stark wie bei so einem Kernspaltungsreaktor.
Also du hast da nichts, was da irgendwie 100.000 Jahre lang strahlt. Das strahlt ein paar Jahrzehnte, aber auch damit musst du klarkommen. Und dieses Tritium ist Gas. Wasserstoff ist halt ein Gas. Das ist radioaktiv. Du willst nicht, dass es irgendwo entweicht. Da musst du auch ein bisschen vorsichtig sein. Also Radioaktivität ist kein Riesenproblem, aber könnte auch ein kleines Problem werden. Macht es jedenfalls alles schwieriger.
Plasma und seine Kontrolle
Und generell, du hast halt, wenn du so ein Plasma beherrschen willst, riesige Probleme, dieses Plasma zu kontrollieren, einzuschließen. So ein Plasma, Markus Roth, der Physikprofessor, den ich in Darmstadt besucht habe, der hat gesagt, so ein Plasma ist wie ein scheues Reh. Also du schreckst es sehr leicht auf. Immer wenn du irgendwas damit machst, dann reagiert es dagegen. Dann versucht es, dir wegzurennen, stemmt sich dagegen.
Und so ein Plasma zu stabilisieren, ist total schwierig. In so einem Tokamak wie im ITER, da gibt es immer Instabilitäten, dass dir so kleine Plasmaschlingen rausschießen und dann wie so ein Schneidbrenner quasi in deine Außenwand dir Material abtragen. Die Gefahr ist riesig und du willst nicht quasi so einen Tokamak anschalten und dann nach ein paar Sekunden quasi schon alles wieder kaputt haben, weil dir das Plasma rausschießt.
Wärmeabfuhr und Materialfragen
Also die Plasmakontrolle ist ein Riesenproblem. Da musst du auch noch viel Forschung betreiben, dass es tatsächlich gut funktioniert. Die Wärmeabfuhr, du hast halt diese gekühlten Spulen außen, du hast den heißesten Punkt im Sonnensystem innen. Ein paar Meter dazwischen, wenn es hochkommt, manchmal ist es noch weniger. Und da musst du alles isolieren voneinander trennen, dass dir das alles nicht gegenseitig sich kaputt macht.
Das sind alles sehr, sehr viele einzelne Forschungsprojekte. Materialfragen, die kommen dann in so einem Fusionsreaktor zusammen und da weiß noch niemand, ob alles so funktioniert, wie man sich das auf dem Papier gedacht hat. Also da gibt es noch viele echt große Fragen. Mal gucken, wie schnell die gelöst werden.
Sicherheitslage im Vergleich zu Kernkraftwerken
Ja, Mike, weil du es gerade auch nochmal angesprochen hattest, wollte ich dich eigentlich auch noch fragen: Radioaktivität, sagst du, ist jetzt nicht so ein großes Problem wie bei einem klassischen Kernkraftwerk und insgesamt quasi ist die Sicherheitslage da auch eine andere. Also da muss man nicht so viele Sicherheitsbedenken haben.
Ja, genau. Also du hast in so einem Fusionsreaktor maximal ein paar Gramm Brennstoff zu jedem Zeitpunkt. Und das Problem bei einem klassischen Kernkraftwerk ist ja, dass du diese Kernspaltungsreaktion, die da stattfindet, irgendwie moderieren musst, dass du versuchen musst, die einzuschränken, dass die eben nicht exponentiell wächst wie eine Atombombe. Und du musst so eine Kernspaltungsreaktion immer irgendwie beherrschen.
Fazit und Ausblick
Beim Plasma ist es genau umgekehrt. Du musst sehr, sehr vorsichtig sein, dass das Plasma dir nicht kaputt geht. Also du musst diese Reaktion ständig antreiben. Und wenn irgendwas schiefläuft, dann erlischt dein Plasma, die paar Gramm Brennstoff, die da drin sind, und dann ist gut. Also im schlimmsten Fall geht dir dein Gerät kaputt. Und im allerschlimmsten Fall entweichen so ein paar Gramm Tritium, vielleicht gasförmig.
Das ist doof, da solltest du nicht in der Nähe stehen, das solltest du nicht einatmen. Aber da gibt es eine entsprechende Sicherheitsvorkehrung. Also die Radioaktivität, die von so einem Plasma ausgeht, ist keine Gefahr. Die aktivierten Materialien in der Umgebung, wo die Neutronen draufschießen, die sind also ein bisschen radioaktiv. Aber wenn du da aufpasst, kann da auch nicht viel passieren.
Das tust du dann irgendwann, wenn du es ausbaust, in Abklingenbecken. Du nimmst Roboter, um daran rumzuschrauben und machst es nicht mit bloßen Händen. Das kriegst du schon gemanagt. Also die Radioaktivität ist kein so ganz großes Problem.
Verstehe, okay. Und Mike, jetzt hast du viel darüber erzählt und über die verschiedenen Projekte und Ansätze und auch über die Hürden, die es noch gibt. Deswegen würde ich dich zum Schluss gerne fragen, jetzt so nach den Monaten, wo du dich damit befasst hast: Was denkst du denn, wird es irgendwann echte Fusionskraftwerke geben, irgendwann in Zukunft?
Es gibt in der Szene so ein verhasstes Bonmot, wo es heißt, ein Fusionskraftwerk ist immer 20 Jahre in der Zukunft. Also dieser Spruch, den mögen die Leute nicht, aber der hält sich hartnäckig. Das ist die sogenannte Fusionskonstante. Und die sagt eben, egal wen du wann fragst, immer in 20 Jahren, da haben wir dann so ein Fusionskraftwerk.
Und wenn ich dir jetzt sage, es könnte was sein, vielleicht in 20 Jahren, dann ist das natürlich in dem Licht ein bisschen lächerlich, weil das sagen die schon seit den 1950er Jahren. Aber ich könnte mir tatsächlich vorstellen, dass wir in 20 Jahren ein Fusionskraftwerk haben, wenn tatsächlich alle Länder so ambitioniert daran weiterarbeiten, wie sie es aktuell tun.
Wenn China seine Pläne weiterverfolgt. Es gibt im Moment eine ganz andere Dynamik in dem Feld. Du hast früher vor allem staatliche Großforschungsprojekte gehabt. Das waren dann einzelne an verschiedenen Standorten. Aber jetzt hast du sehr, sehr viele Startups, die haben teilweise Milliarden eingesammelt.
Also einzelne Startups sind zwei, drei Milliarden wert und haben dieses Kapital, was sie dann eben in Hochrisikoanlagen investieren. Hochrisiko in dem Sinn, dass man nicht weiß, ob es funktioniert oder nicht. Aber es gibt jetzt diese Dynamik und die Leute gucken, was funktioniert, was funktioniert nicht. Und das ist was ganz anderes als diese relativ konservativen staatlichen Projekte, die es bisher gab.
Also ich könnte mir schon vorstellen, dass diese neue Dynamik jetzt dafür sorgt, dass wir tatsächlich in 20 Jahren ein Fusionskraftwerk haben. Und dann wäre auch diese leidige Fusionskonstante tatsächlich mal beerdigt. Aber ja, sprechen wir vielleicht in 20 Jahren nochmal.
Ja, genau. Ich werde dich in 20 Jahren dann nochmal fragen. Und wenn es noch keins gibt, dann muss hier nochmal Rede und Antwort stehen, warum das so ist. Gerne. Ein ganz, ganz spannendes Thema: Fusionskraftwerke. Mehr dazu erfahrt ihr im Spektrum Magazin und natürlich auch auf spektrum.de.
Und Mike, dir sage ich vielen vielen Dank fürs Erklären. Sehr gern. Und das war’s für diese Woche hier vom Spektrum Podcast. Euch vielen Dank fürs Zuhören. Seid gerne auch kommende Woche wieder dabei. Wie immer am Freitag gibt es dann eine neue Folge von uns.
Und bis dahin freue ich mich natürlich, wenn ihr den Podcast abonniert, wenn ihr kommentiert, bewertet und gerne natürlich auch teilt. Das hilft uns sehr. Auch dafür vielen, vielen Dank. Mein Name ist Max Zimmer und ich sage Tschüss und macht’s gut.
Foto: Spektrum der Wissenschaft