Elektrizität: Schlüssel zu einem nachhaltigen und klimaverträglichen ...

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Parallel zu dem ITER Projekt ist ein intensives Forschungs- und Entwicklungsprogramm [4] für fusionsspezifische
Technologien und Materialien erforderlich. Dies sind insbesondere hitzebeständige „Erste Wand“-
Materialien, sowie Strukturmaterialien, deren mechanischen Eigenschaften geeignet sind, den erwarteten
Neutronenflüssen zu widerstehen, und die nur gering aktivierbar sein sollen, damit sie nach circa einem
Jahrhundert wieder verwendet werden können. Um solche in Entwicklung befindlichen Materialien in
Langzeittests qualifizieren zu können, wird eine Neutronenquelle mit geeignetem fusionsähnlichen Neutronenenergiespektrum
und ausreichender Flussdichte benötigt. Für eine derartige Testeinrichtung, IFMIF
(International Fusion Materials Irradiation Facility), werden gegenwärtig in internationaler Zusammenarbeit
Entwurfs- und Validierungsarbeiten durchgeführt. Ihr Bau ist dringend erforderlich, da neben der Beherrschung
der plasmaphysikalischen Aspekte auch die Lösung der Materialfragen über den Erfolg der Fusionsentwicklung
mitentscheiden wird.
ITER ist noch nicht dazu konzipiert, Strom zu erzeugen, sondern die Bedingungen für den Hochleistungs-
und Dauerbetrieb von Fusionsanlagen zu untersuchen und zu optimieren. Dazu gehören neben technologischen
Aspekten der Reaktorkomponenten die Untersuchung des sich durch die Fusionsreaktionen selbst
heizenden Plasmas, die Energie- und Ascheabfuhr und die Brennstoffbilanz im Reaktorgefäß sowie der
Brennstoffkreislauf, denn das für die D-T Reaktion erforderliche Tritium muss im Reaktor selbst aus dem
Rohbrennstoff Lithium in einer Zusatzenergie liefernden Reaktion erbrütet werden. Die Ergebnisse von
ITER, für das ab 2026 die ersten Experimente mit wesentlicher Fusionsleistung geplant sind, sollen in eine
Fusionsanlage DEMO einfließen, die, als Demonstrationskraftwerk, den ersten Strom aus Fusionsenergie
produzieren und ins Netz einspeisen soll. Da die wesentlichen technischen Grundaspekte eines
Fusionsreaktors bereits mit der Konstruktion von ITER erschlossen werden, sollte mit dem Entwurf und Bau
von DEMO parallel zu den Experimenten an ITER begonnen werden können, sobald die erforderlichen
Materialien in IFMIF qualifiziert worden sind, was ggf. Mitte der zwanziger Jahre der Fall sein könnte. Auf
DEMO basierend könnte sodann die industrielle Entwicklung einer ersten Generation von Fusionsreaktoren
konzipiert werden, in die ggf. bis dahin parallel realisierte Konzeptverbesserungen einfließen könnten (siehe
auch Europäisches „Fast Track“ Szenario [5]).
In den letzten Jahren wurden Konzeptstudien zukünftiger Fusionsreaktoren durchgeführt, welche die Sicherheits-
und Umwelteigenschaften von Fusionskraftwerken quantifizieren und die Kosten für die Erzeugung von Elektrizität
abzuschätzen erlauben [6]. Diese Modelle basieren auf dem Tokamakprinzip und zielen auf Kraftwerke
mit einer Leistung von ca. 1.5 GWe. Die ermittelten Stromkosten sind, wie bei allen neuen Technologien, in
einem gewissen Maß von der Zahl der gebauten Kraftwerke (Lernkurve) abhängig. Als wesentliches
Ergebnis zeigen die Modelle, dass mit Fusionskraftwerken Stromkosten erwartet werden können, die mit
anderen Erzeugungsarten wettbewerbsfähig sein sollten.
Ein von der bisher beschriebenen Fusion mittels magnetischen Einschlusses abweichendes Verfahren ist
die sogenannte Trägheitsfusion, bei der kleine Brennstoffkügelchen mit vielen konzentrisch auf diese
„Pellets“ fokussierten Laserstrahlen beschossen werden. Dabei verdampft die Oberfläche der Pellets, und
durch den enstehenden Rückstoß wird das Brennstoffgemisch im Inneren so stark komprimiert, dass
Kernfusion einsetzen kann. Inzwischen werden auch Konzepte verfolgt, mit zusätzlichen ultrakurzen, extrem
intensiven Laserstrahlen die Zündung schon bei niedrigerer Kompression zu erreichen. Laserbasierte
Trägheitsfusion kam in der Vergangenheit mangels hinreichend effizienter und hochrepetierender Laser
grundsätzlich nicht für die Energieerzeugung in Frage, sie wurde jedoch in den USA und in Frankreich für
militärische Grundlagenforschung untersucht 2 . Die Verfügbarkeit moderner diodengepumpter Laser läßt es
möglich erscheinen, die benötigte Lichtenergie, einige 100kJ bis zu MJ pro Schuß, mit hinreichend hoher
Effizienz zu erzeugen, um die Gesamt-Energiebilanz positiv (90% Gewinn) zu gestalten. Gleichzeitig sollten
2 Die größten Anlagen sind die National Ignition Facility (Livermore, USA), von der noch im Jahr 2010 die ersten Experimente mit
gezündeten Pellets erwartet werden, und Laser Mégajoule (Bordeaux, Frankreich), wo 2014 das gleiche Ziel erreicht werden soll.