{"id":66479,"date":"2022-12-15T17:04:41","date_gmt":"2022-12-15T16:04:41","guid":{"rendered":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=66479"},"modified":"2023-03-24T11:46:24","modified_gmt":"2023-03-24T10:46:24","slug":"fusion-keine-schnelle-loesung-fuer-die-klimakrise","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/forschung\/fusion-keine-schnelle-loesung-fuer-die-klimakrise\/","title":{"rendered":"Fusion: Keine schnelle L\u00f6sung f\u00fcr die Klimakrise"},"content":{"rendered":"

K\u00fcnftig aber Versorgung von Ballungsr\u00e4umen<\/strong><\/h4>\n\n\n\n
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Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom US-amerikanischen Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben bekannt gegeben, dass ihnen erstmals die Z\u00fcndung eines \u201eSonnenfeuers im Labor\u201c gelungen ist, also eine Fusion von Wasserstoffkernen zu Helium, bei der mehr Energie freigesetzt wird, als in die Reaktion hineingesteckt wurde. Dies wird als wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu einem \u201esauberen\u201c, CO2<\/sub>-freien Fusionskraftwerk gewertet. <\/p>\n\n\n\n

Wie weit der Weg zu einem solchen Fusionskraftwerk ist, erkl\u00e4rte der Physiker Prof. Holger Podlech vor zwei Jahren am Beispiel des Forschungsreaktors ITER im Magazin Forschung Frankfurt (2\/2020, Klimakrise<\/a>).<\/p>\n\n\n\n

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In Frankreich wird seit 2007\nder Versuchsreaktor ITER\ngebaut. Mit ihm soll getestet\nwerden, ob sich Energie\naus Kernfusionen zur Stromerzeugung\nnutzen l\u00e4sst.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Fusionsenergie: Sonnenfeuer auf der Erde<\/h2>\n\n\n\n

Die Vision vom sauberen, unersch\u00f6pflichen Strom<\/h3>\n\n\n\n

Der Experimental-Fusionsreaktor ITER n\u00e4hert sich der Betriebsphase \u2013 auch aus Frankfurt kommen wichtige Beitr\u00e4ge. Obwohl die neue Technologie nicht zur kurzfristigen Verringerung der Treibhausgase beitragen wird, k\u00f6nnte sie einen wichtigen Pfeiler der k\u00fcnftigen Stromversorgung bilden.<\/em><\/strong><\/p>\n\n\n\n

Es ist ein alter Traum der Kernphysik: durch das Verschmelzen leichter Wasserstoff-Atomkerne genau die Energiequelle anzuzapfen, die Sterne wie unsere Sonne Jahrmilliarden leuchten l\u00e4sst. Mit einer stabil ablaufenden Kernfusion w\u00e4ren Kraftwerke denkbar, die quasi unersch\u00f6pfliche Energie liefern: Aus 30 Kilogramm Wasserstoff k\u00f6nnte so viel Energie gewonnen werden wie aus einem Supertanker mit 260 000 Tonnen \u00d6l. Zugleich g\u00e4be es deutlich weniger Probleme mit strahlendem Atomm\u00fcll als bei Kernkraftwerken. Zwar entstehen auch in Fusionskraftwerken radioaktive Materialien, allerdings sind es deutlich weniger und sie sind auch nicht so langlebig \u2013 was das eigentliche Problem beim hoch radioaktiven Abfall aus Kraftwerken darstellt.<\/p>\n\n\n\n

Nun wurde die Fusionskraft schon in den 1950er Jahren als Heilsbringer f\u00fcr die Zeit nach der Kernenergie ausgerufen. Damals hie\u00df es, in sp\u00e4testens 50 Jahren werde die Fusionskraft einsatzbereit sein. An dieser Vorhersage hat sich in den letzten 70 Jahren allerdings wenig ge\u00e4ndert, denn immer noch wird es auch in optimistischen Sch\u00e4tzungen mehrere Jahrzehnte dauern, bis die ersten Fusionskraftwerke in Betrieb gehen. Einige Sp\u00f6tter der Fusionskraft haben sie deshalb mit einem gewissen Berliner Flughafen verglichen, dessen Er\u00f6ffnung ebenfalls regelm\u00e4\u00dfig verschoben wurde, wobei der Bau eines Flughafens im Vergleich zu einem Fusionskraftwerk allerdings ungleich weniger komplex ist.<\/p>\n\n\n\n

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ITER ist gro\u00df genug f\u00fcrs Sonnenfeuer <\/h3>\n\n\n\n

\u00bbNach einigen anf\u00e4nglichen Schwierigkeiten kommen die Arbeiten am weltgr\u00f6\u00dften Fusionsreaktor ITER mittlerweile gut voran\u00ab, sagt Holger Podlech, Professor f\u00fcr Beschleunigerphysik an der Goethe-Universit\u00e4t. In Fusionsreaktoren ist ein extrem hei\u00dfes und sehr d\u00fcnnes Plasma mithilfe spezieller Magnetfelder in einem Donutf\u00f6rmigen Ring eingeschlossen. Es darf die Wand nicht ber\u00fchren, da es sich sonst sofort abk\u00fchlen w\u00fcrde. Das w\u00fcrde jegliche Fusion unm\u00f6glich machen. Mit Mikrowellen wird das Plasma stark aufgeheizt \u2013 auf etliche Millionen Grad \u2013, bis schlie\u00dflich die Atomkerne ihre gegenseitige elektrische Absto\u00dfung \u00fcberwinden k\u00f6nnen und die Fusionsreaktion startet. Diese setzt dann riesige Energiemengen frei.<\/p>\n\n\n\n

\u00bbMan muss also erst einiges an Energie in das Plasma hineinstecken, bevor es selbst Energie produziert\u00ab, erkl\u00e4rt Podlech. Um insgesamt einen positiven Energiesaldo zu erhalten, m\u00fcssen Fusionskraftwerke relativ gro\u00df gebaut werden. Bei kleineren Anlagen sind die Verluste im Plasma zu stark; deshalb w\u00e4ren sie nicht wirtschaftlich. ITER selbst ist gro\u00df genug, um die Z\u00fcndung des Sonnenfeuers zu erm\u00f6glichen. Es ist aber nicht als wirtschaftlich arbeitendes Kraftwerk geeignet. Es soll als Experimental- Fusionsreaktor dienen, mit dem die Forscher in den kommenden Jahren das Verhalten des hei\u00dfen Plasmas unter die Lupe nehmen wollen. Um die Mitte dieses Jahrzehnts soll ITER in Betrieb gehen, anfangs aber noch, ohne das Plasma richtig zu z\u00fcnden.<\/p>\n\n\n\n

Nach ungef\u00e4hr zehn Jahren mit umfangreichen Materialtests und Experimenten mit dem Plasma soll um das Jahr 2035 dann erstmals das \u00bbSonnenfeuer\u00ab in der Plasmakammer leuchten \u2013 also eine stabile Fusionsreaktion gez\u00fcndet werden. Genau das hatten sich fr\u00fchere Experimente auch versprochen, sind aber immer wieder an unvorhergesehenen Schwierigkeiten gescheitert \u2013 etwa an eigenartigen Turbulenzen im hei\u00dfen Plasma. Mit aufwendigen Computersimulationen und dank der gr\u00f6\u00dferen Anlage bei ITER sollten diese Probleme aber in den Griff zu bekommen sein. \u00bbIch bin mir sehr sicher, dass ITER ein Erfolg wird\u00ab, sagt Podlech. Daf\u00fcr seien die Grundlagen mittlerweile gut genug verstanden und die Probleme der Vorg\u00e4nger eingehend analysiert worden. Fr\u00fcher sei man etwas sehr optimistisch an die Fusionsforschung herangegangen. Inzwischen lassen sich viele Eigenschaften von Fusionsplasmen, die man damals nur absch\u00e4tzen konnte \u2013 und eben zu positiv einsch\u00e4tzte \u2013, im Detail simulieren.<\/p>\n\n\n\n

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Die Baustelle von ITER im Februar 2020. Nach derzeitigem Planungsstand soll 2025 das erste Plasma gez\u00fcndet werden, zehn Jahre sp\u00e4ter sollen Versuche zur Stromerzeugung starten.<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

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Nur wenig hei\u00dfes, gef\u00e4hrliches Material <\/h3>\n\n\n\n

Eine besonders wichtige Rolle beim Betrieb k\u00fcnftiger Fusionskraftwerke spielen die Materialeigenschaften der Kammer, die das Sonnenfeuer umschlie\u00dft \u2013 sie muss einiges aushalten. Zwar ist das hei\u00dfe Plasma sehr d\u00fcnn: Nur wenige Gramm Brennstoff befinden sich in der Kammer. Das bringt einen gro\u00dfen Sicherheitsvorteil im Vergleich zu Kernkraftwerken mit sich, in denen sich viele Tonnen an Uran und Spaltprodukten befinden. Wenn in einem Fusionskraftwerk etwas schiefgeht, kann nicht viel passieren. Die Menge an hei\u00dfem, gef\u00e4hrlichem Material ist einfach zu gering. Doch ein gez\u00fcndetes Plasma erzeugt eine immense Hitze, und dazu kommt noch eine starke Neutronenstrahlung. Diese dringt tief in die Wandstrukturen ein, knallt auf die Atomkerne dieser Materialien und r\u00fcttelt kr\u00e4ftig an der inneren Struktur dieser Festk\u00f6rper. Au\u00dferdem l\u00e4sst sie Gase entstehen, die ebenfalls die Wandstrukturen von innen besch\u00e4digen k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

\u00bbIn der Tat ist die Belastung der Materialien im Torus enorm und eine der gr\u00f6\u00dften ingenieurtechnischen Herausforderungen beim Bau von Fusionskraftwerken\u00ab, erkl\u00e4rt Podlech. Derzeit arbeiten Forscher an speziellen Verbundmaterialien aus hochfesten Spezialst\u00e4hlen, die eine gewisse Langlebigkeit garantieren sollen. M\u00fcsste man die teuren Strukturen zu oft austauschen, w\u00fcrde dies den Betrieb eines Fusionskraftwerks unrentabel werden lassen.<\/p>\n\n\n\n

Gegenw\u00e4rtig gibt es jedoch noch keine M\u00f6glichkeit, solche Materialien auf einem Pr\u00fcfstand unter so harten Bedingungen zu testen, wie sie das Sonnenfeuer in der Plasmakammer erzeugen wird \u2013 nicht einmal in den st\u00e4rksten Forschungsreaktoren. Auch Simulationen eignen sich nicht, weil sie nie alle Aspekte einer so starken Belastung nachvollziehen k\u00f6nnen. Die Arbeitsgruppe des Beschleunigerexperten Podlech war deshalb mitbeteiligt bei der Entwicklung der sogenannten International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF). Bei dieser gro\u00dfen Anlage sollen leistungsstarke Teilchenbeschleuniger einen hochenergetischen Neutronenstrahl erzeugen, der \u00e4hnliche Eigenschaften wie das gez\u00fcndete Plasma in einem Fusionskraftwerk aufweist. Damit lassen sich Materialien testen, die bei ITER um das Jahr 2035 zum Einsatz kommen sollen, wenn es dann hoffentlich hei\u00dft: Das Sonnenfeuer brennt stabil.<\/p>\n\n\n\n

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Kein Heilsbringer gegen den Klimawandel <\/h3>\n\n\n\n

Aber wie schaut der weitere Weg der Fusionskraft aus? In den letzten Jahren ist angesichts des Klimawandels weltweit zwar eine starke Entwicklung bei den erneuerbaren Energien zu sehen \u2013 leider mit vielen Jahren Versp\u00e4tung, aber letztlich kommen sie doch. Aber erneuerbare Energien eignen sich zumindest bislang kaum als Grundlast, die Stromnetze sind unzureichend verkn\u00fcpft, die Speicherm\u00f6glichkeiten bislang viel zu gering (siehe jedoch den Beitrag \u00bbStromspeicher\u00ab, Seite 89). Einige L\u00e4nder setzen auf die Kernenergie, zumindest als Br\u00fcckentechnologie, andere L\u00e4nder wie Deutschland schwerpunktm\u00e4\u00dfig auf die besonders klimasch\u00e4dliche Kohle. Nach den Berechnungen der Klimaforscher muss die Menschheit schon bis zur Mitte dieses Jahrhunderts die globalen Treibhausgas- Emissionen stetig auf Null herunterfahren, um eine gef\u00e4hrliche Erw\u00e4rmung mit stark negativen Konsequenzen zu vermeiden.<\/p>\n\n\n\n

\u00bbFusionskraft wird kein Heilsbringer f\u00fcr die 2050er Jahre sein, das l\u00e4sst sich jetzt schon absehen \u00ab, sagt Podlech. Selbst wenn bei ITER alles wie erhofft abl\u00e4uft und die Experimente bis etwa zum Jahr 2040 alle gew\u00fcnschten Ergebnisse bringen, w\u00e4re nicht sofort danach mit dem Bau zahlreicher gro\u00dfer Fusionskraftwerke zu rechnen. \u00bbNach einem Experimentalreaktor wie ITER w\u00fcrde man zun\u00e4chst ein gr\u00f6\u00dferes Prototypen- Kraftwerk errichten, das zwar schon f\u00fcr die Stromproduktion geeignet ist, aber auch dazu dient, Betriebserfahrungen zu sammeln\u00ab, so Podlech.<\/p>\n\n\n\n

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Wenn die Atomkerne der beiden schweren Wasserstoff- Isotope Deuterium (2H) und Tritium (3H) verschmelzen, entstehen Helium (4He) und ein Neutron (n). Ob die bei der Reaktion freiwerdende Energie zur Stromerzeugung genutzt werden kann, wird erforscht.<\/strong><\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

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K\u00fcnftiger Stromlieferant f\u00fcr Ballungsgebiete <\/h3>\n\n\n\n

Planung und Bau eines solchen Prototypen- Fusionskraftwerks w\u00fcrden sicher deutlich mehr als ein Jahrzehnt ben\u00f6tigen. Wenn es einige Jahre wie gew\u00fcnscht Energie geliefert hat, lie\u00dfe sich anhand dieser Erfahrungen dann eine st\u00e4rker standardisierte Baulinie kommerzieller Fusionskraftwerke entwickeln. Auch bei diesen Gro\u00dfprojekten w\u00e4re mit einer Bauzeit von 10 bis 20 Jahren zu rechnen. Zur L\u00f6sung der Klimaprobleme bis zum Jahr 2050 k\u00f6nnte die Fusionskraft also selbst dann, wenn alles wie am Schn\u00fcrchen liefe, nichts beitragen. Als interessante Energiequelle sp\u00e4ter in diesem Jahrhundert k\u00f6nnte sie aber dennoch dienen. Gegen\u00fcber erneuerbaren Energien besitzt sie den Vorzug, enorm viel Energie auf kleiner Fl\u00e4che erzeugen zu k\u00f6nnen. Ein Fusionskraftwerk k\u00f6nnte gut doppelt so viel Strom liefern wie ein gro\u00dfes Kernkraftwerk. Das macht die Technologie f\u00fcr Ballungsregionen interessant sowie f\u00fcr Gegenden, in denen weder mit Solarstrom noch mit Windkraft ausreichend Energie f\u00fcr die Bev\u00f6lkerung und Industrie gewonnen werden kann.<\/p>\n\n\n\n

Nat\u00fcrlich l\u00e4sst sich schwer vorhersehen, wie die Preisentwicklung auf dem Energiemarkt bis zur zweiten H\u00e4lfte dieses Jahrhunderts aussehen wird. Es k\u00f6nnte sein, dass die Fusionskraft bis dahin wirtschaftlich hoffnungslos abgeh\u00e4ngt sein wird und regenerativ gewonnene Energietr\u00e4ger wie Wasserstoff oder Biokraftstoffe oder neuartige Speichertechnologien den gesamten Energiebedarf zu konkurrenzlos g\u00fcnstigen Preisen decken k\u00f6nnen \u2013 vielleicht aber auch nicht. \u00bbIch denke, dass wir die Fusionsenergie eingehend erforschen sollten\u00ab, sagt Podlech. \u00bbEs ist immer gut, notfalls noch ein Ass im \u00c4rmel zu haben, falls wir mit anderen Energieformen Schwierigkeiten bekommen.\u00ab Das k\u00f6nnte auch in Form von Konflikten bei der Landnutzung oder von Eingriffen in die Landschaft der Fall sein. Auch wenn die Fusionsforschung einige Milliarden kostet: Im Vergleich zu den internationalen Aufwendungen f\u00fcr die Energieversorgung sind das beinahe verschwindende Betr\u00e4ge.<\/p>\n\n\n\n

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Photo: Uwe Dettmar<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Prof. Dr. Holger Podlech<\/strong>, Jahrgang 1968, leitet die LINAC-AG am Institut f\u00fcr Angewandte Physik, die sich mit der Entwicklung von Teilchenbeschleunigern und deren Teilkomponenten besch\u00e4ftigt. Eines seiner Projekte befasst sich mit der Transmutation, mit deren Hilfe die Halbwertszeiten radioaktiver Kernkraftwerksabf\u00e4lle verk\u00fcrzt werden sollen. Seit 2012 ist der Physiker Professor an der Goethe- Universit\u00e4t, zuvor war er als Privatdozent und Wissenschaftler an der Goethe-Universit\u00e4t, der Michigan State University und dem Max-Planck- Institut f\u00fcr Kernphysik in Heidelberg t\u00e4tig.<\/p>\n\n\n\n

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Der Autor Dirk Eidem\u00fcller<\/strong>, Jahrgang 1975, studierte Physik und als Nebenfach Philosophie in Darmstadt, Heidelberg, Rom und Berlin, schloss mit einem Diplom in Astroteilchenphysik ab und promovierte in Wissenschaftsphilosophie. Er wohnt in Berlin und arbeitet als freier Autor und Wissenschaftspublizist<\/em><\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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