Eine Perspektive für die Kernfusion
Ein Positionspapier des Bundesforschungsministeriums skizziert, wie die Entwicklung eines Fusionskraftwerks beschleunigt werden soll
Die Kernfusion ist ein Hoffnungsträger für die künftige Energieversorgung. Das unterstreicht einmal mehr ein Positionspapier des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, das Ministerin Bettina Stark-Watzinger und Sibylle Günter, geschäftsführende Direktorin am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, heute in Berlin vorgestellt haben. Das Dokument analysiert den weltweiten Forschungsstand bei der Magnet- und Laserfusion – das sind die beiden prinzipiellen Ansätze, durch die Verschmelzung von Atomkernen Energie zu gewinnen. Darüber hinaus bestimmt es die Position deutscher Forschungseinrichtungen und Unternehmen in den beiden Zweigen der Fusionsforschung. Schließlich zeigt das Dokument auf, wie das Bundesforschungsministerium die Fusionsforschung fördern will – die Kooperation von akademischer Institutionen und Unternehmen soll dabei eine zentrale Rolle spielen.
Weltweit fließen immer mehr Investitionen in die Kernfusion. 4,8 Milliarden US-Dollar größtenteils aus privater Hand sollen die Entwicklung eines Fusionskraftwerks beschleunigen. Tatsächlich gab es sowohl in der Magnetfusion als auch bei der Laserfusion in den vergangenen Jahren immer wieder Erfolge. Große öffentliche Aufmerksamkeit erzielte etwa ein Weltrekord bei der Freisetzung von Fusionsenergie in der Anlage Joint European Torus (Jet) in Großbritannien oder die Nachricht, dass in der National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien Fusionsreaktionen mehr Energie lieferten als Laser in den Brennstoff einstrahlten, um ihn zu zünden.
„Die Energiekrise hat uns vor Augen geführt, wie essenziell eine saubere, verlässliche und bezahlbare Energieversorgung ist“, sagt Bundesministerin Bettina Stark-Watzinger. „Fusion ist die riesige Chance, all unsere Energieprobleme zu lösen. Mit unserem Positionspapier wollen wir die Fusionsforschung auf die nächste Stufe heben, damit ein Fusionskraftwerk schnellstmöglich Wirklichkeit wird.“
Führend in der Magnetfusion
Die Fusionsforschung verfolgt derzeit mit der Magnetfusion und der Laserfusion zwei prinzipiell unterschiedliche Wege. „Bei der Magnetfusion handelt es sich um den international am weitesten fortgeschrittenen Ansatz, der zurzeit die wesentliche Rolle in Forschung und Wirtschaft spielt“, heißt es in dem Positionspapier. Dabei wird das Fusionsplasma aus ionisierten schweren Wasserstoffatomen in ringförmigen Magnetfeldern gefangen und zur Zündung auf rund 100 Millionen Grad Celsius aufgeheizt, die Forschung verfolgt dabei zwei Konzepte namens Tokamak und Stellarator. Deutsche Einrichtungen forschen bei der Magnetfusion heute schon an der Weltspitze, vor allem dank der Anlagen Asdex Upgrade und Wendelstein 7-X, die das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik betreibt. „Unser Tokamak Asdex Upgrade in Garching hat in vieler Hinsicht Pate gestanden für das Design des Iter-Experiments, das gerade in Südfrankreich in Cadarache gebaut wird“, sagt Sibylle Günter. „Unser Stellarator Wendelstein 7-X ist mit Abstand der beste Stellarator der Welt.“
Auf dem Gebiet der Laserfusion sei Deutschland dagegen bisher nicht sehr aktiv gewesen, weil diese Forschungsarbeiten zum Großteil militärisch motiviert seien, so die Max-Planck-Direktorin. Bei der Laserfusion, wissenschaftlich als Trägheitsfusion bekannt, werden Kügelchen, die den Brennstoff enthalten, mit Lasern komprimiert und aufgeheizt. Hochenergielaser, die dafür in Frage kommen, gibt es auch an deutschen Forschungseinrichtungen. Zudem ist Deutschland führend in einigen Techniken, die für die Laserfusion benötigt werden, wie etwa in der Herstellung der Brennstoffkügelchen.
Benötigt wird ein fundiertes technisches Design für ein Kraftwerk
Das Positionspapier analysiert nicht nur den Forschungsstand weltweit und in Deutschland, sondern zeigt vor allem auf, was zu tun ist, damit die Menschheit die schier unerschöpfliche Energiequelle der Kernfusion möglichst bald nutzen kann und damit auch deutsche Forschungseinrichtungen und Unternehmen an dieser Entwicklung beteiligt sind.
So identifiziert das Dokument zunächst offene Forschungsfragen, dazu gehört etwa die Suche nach einem geeigneten Material für die innersten Reaktorwände sowie die Erzeugung und Handhabung des schweren Wasserstoffisotops Tritium, auf das viele Fusionskonzepte als Brennstoff setzen. „Vor allem muss nun ein technisch fundiertes Design für das Gesamtsystem Kraftwerk erarbeitet werden“, sagt Sibylle Günter. „An dieser Aufgabe arbeitet die Europäische Magnetfusion seit vielen Jahren und hat im vergangenen Jahr einen ersten Design Review durch ein internationales Experten-Gremium für ein Tokamak-Kraftwerk bestanden. Für die Laserfusion existieren auch erste Ideen für Kraftwerke, die aber bislang bei weitem nicht so technisch fundiert und ausgearbeitet sind.“ Auf Basis des Positionspapiers will das Bundesforschungsministerium nun mithilfe von Fachleuten ein Förderprogramm entwickeln, das Forschungsprojekte zu den offenen Fragen unterstützen soll. Dabei solle das Programm alle geeigneten Ansätze fördern, deren Erfolgsaussichten fortlaufend neu bewertet werden müssten.
Förderung soll die Wissenschaft und Industrie zusammenbringen
Für den Bau eines Fusionskraftwerks kommt es allerdings nicht nur auf die Leistung von Forschungseinrichtungen an, sondern auch auf den Beitrag von Unternehmen. Daher will das Förderprogramm Wissenschaft und Industrie zusammenbringen, zum Beispiel durch Public-Private-Partnership, also die Kooperation von öffentlicher und privatwirtschaftlicher Forschung. Zudem soll es dazu beitragen, dass „Fusionsökosysteme“ entstehen, die Unternehmen Zugang zum Know-how der Forschungsinstitute und zu den benötigten Infrastrukturen ermöglichen. Hierzu sollten zu verschiedenen Themen sogenannte Hubs geschaffen werden, die auch für die Industrie zugänglich sind und als Testeinrichtung genutzt werden können. Einen wichtigen Teil dieser Hubs sollen die bestehenden Forschungsinstitute und Lehrstühle an Universitäten bilden.
Eine weitere wesentliche Aufgabe identifiziert das Positionspapier die Aus- und Weiterbildung von Fachkräften. „Wir brauchen hervorragenden Nachwuchs und müssen dazu an den Universitäten die Ausbildung in der fusionsorientierten Plasmaphysik und insbesondere im entsprechenden Ingenieur-Bereich verstärken“, sagt Sibylle Günter. Das Bundesforschungsministerium will mit unterstützenden Maßnahmen dazu beitragen, Kapazitäten in Forschung und Lehre auf den Gebieten von Hochenergielaserphysik, Plasmaphysik, Materialwissenschaften, Informatik und Ingenieurwissenschaften auszubauen.
„Deutschland ist bei der Zukunftsenergie Fusion technologisch in einer Poleposition. Wir müssen diese Ausgangslage nutzen und zwar ambitioniert, ideologiefrei und technologieoffen. Dafür wollen wir zusätzliche Gelder bereitstellen“, so Stark-Watzinger. „Begleitend muss ein regulatorischer Rahmen geschaffen werden, um den Unternehmen Planungssicherheit zu geben, und zwar außerhalb des Atomrechts, das für die Fusion einfach nicht passt.“ Vorbild für Regularien könnten etwa die Regelungen in Großbritannien oder den USA sein. Dabei sein ein einheitlicher Rechtsrahmen für die Fusion in den europäischen Ländern anzustreben, der die Rechtssetzung in den europäischen Mitgliedstaaten vereinfachen und beschleunigen könnte.
