Elektrizität: Schlüssel zu einem nachhaltigen und klimaverträglichen ...

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II.9 Fusionskraftwerke
9.1 Physikalische Grundlagen und Stand der Entwicklung
Die Kernfusion stellt eine CO2-freie Energiequelle dar. Sie verwendet die nichtradioaktiven Ausgangsbrennstoffe
Deuterium und Lithium, und man erwartet, dass sie so gestaltet werden kann, dass ihr Betrieb sicher
ist und keine langlebigen radioaktiven Abfälle hinterlässt. Dies ist Ansporn für die weltweit großen Anstrengungen
auf diesem Gebiet: Ziel der Forschung und Entwicklung ist es, Fusionsreaktoren auf der Basis der
D-T Reaktion (D + T = He + n + 17.6 MeV) für den praktischen Einsatz um die Mitte dieses Jahrhunderts
verfügbar zu machen, wobei für diese Entwicklungen weltweit vorranging das Konzept des magnetischen
Einschlusses verfolgt wird. Für den in dieser Studie hauptsächlich betrachteten Zeithorizont (2030) kann die
Kernfusion noch keine Rolle am Elektrizitätsmarkt spielen. Deshalb wird sie hier nur relativ kurz beschrieben.
Um die Kernfusion zu nutzen, müssen Brennstoff-Temperaturen von mehr als 200 Millionen Grad erreicht
werden. Diese Temperaturen müssen in einem zur Erzielung der gewünschten Fusionsleistung ausreichend
großen Brennvolumen verfügbar sein. Zur Wärmeisolierung muss der heiße Zentralbereich des Plasmas von
den Wänden der (toroidalen) Brennkammer einen Mindestabstand von etwa einem Meter haben (entsprechend
einem Temperaturgradienten von 20 Millionen Grad/cm). Deshalb müssen Fusionsanlagen notwendigerweise
groß sein – der kleine Radius beträgt ca. 2-3 m, der große 6 m. Beim Aufheizen und dem Einschluss dieser
heißen Plasmen wurden in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte erzielt: Das Tripelprodukt aus Dichte,
Temperatur und Einschlusszeit, das als wichtigster plasmaphysikalischer Faktor für den Fortschritt in Richtung
Fusionsreaktor angesehen werden kann, wurde zwischen Ende der sechziger und Mitte der neunziger Jahre
um etwa fünf Größenordnungen verbessert 1 und Temperaturen bis zu 350 Millionen Grad erreicht. Im Europäischen
Fusionsexperiment JET (Joint European Torus) wurde 1991 zum ersten Mal in der Geschichte der
Menschheit in kontrollierter Weise Fusionsenergie gewonnen (1-2 MW Fusionsleistung über etwa eine Sekunde
[1]). Gemeinsam mit den großen Tokamaks TFTR (USA) und JT-60U (Japan, hier allerdings nur in reinen
Deuteriumplasmen) wurden Plasmaparameter erreicht, mit denen das Tripelprodukt nur noch einen Faktor 6
von den Reaktorbedingungen entfernt liegt. Dabei ragen die Ergebnisse am europäischen JET-Experiment mit
bis zu 16 MW Fusionsleistung für etwa eine Sekunde und 4-5 MW für ca. 4 Sekunden heraus [2].
Die physikalischen Vorgänge beim Aufheizen und Einschließen von Fusionsplasmen sind in den letzten
Jahrzehnten weitgehend verstanden worden, und man hat gelernt, das Verhalten des heißen Plasmas zu
optimieren. Damit ist von wissenschaftlicher Seite seit dem Ende der neunziger Jahre der Weg frei für ein
größeres Experiment, das Fusionsleistung im Reaktormaßstab erzeugen könnte.
9.2 Der Weg zum Fusionsreaktor: ITER, DEMO, Reaktorstudien
Der nächste Schritt auf dem Weg zur Fusion ist der experimentelle Reaktor ITER [3], dessen Bau in weltweiter
Zusammenarbeit in Cadarache (Südfrankreich) begonnen hat und mit dem reaktorrelevante Betriebsweisen
und für den Reaktor notwendige Technologien entwickelt werden sollen. Wie bei allen Anlagen vom Typ
„Tokamak“ handelt es sich bei ITER zunächst um eine Maschine für gepulste Betriebsweise, die allerdings
mittels Zusatzeinrichtungen für so genannten „nicht-induktiven Stromtrieb“ auch stationär betrieben werden
kann. Eine Alternative, die ohne solchen Stromtrieb zu stationärem Betrieb fähig ist, bietet eine andere
Weiterentwicklung des toroidalen Einschlusses, nämlich der Anlagentyp „Stellarator“, dessen fortschrittlichste
Maschine derzeit in Greifswald/Deutschland aufgebaut wird. Allerdings wird sie, in der Größe wesentlich
kleiner als JET, noch keine Fusionsleistung erzeugen.
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Dieser Fortschritt entspricht einer durchschnittlichen Verdopplung in 18 Monaten; das ist dem „Moore’schen Gesetz“ der Halbleiterindustrie
vergleichbar.