In Greifswald haben Fusionsforscher eine neuartige Versuchsanlage in Betrieb genommen – ein Schritt auf dem weiten Weg zur Energie aus Kernfusion.

Ist das Kunst? Wie man’s nimmt – es ist das Magnetfeld im Inneren des Wendestein 7-X, sichtbar gemacht durch einen Elektronenstrahl. Bild: IPP

Angela Merkel drückt auf einen Knopf. Sechzig Sekunden später blitzte auf einem Monitor über ihr eine seltsam geformte Erscheinung auf, gerade einmal eine Viertelsekunde lang. Dafür also war die Kanzlerin am vergangenen Mittwochnachmittag eigens nach Vorpommern geeilt? Da hat sich die gelernte Physikerin zwischen Asylpaket II und Syrienkonferenz wohl eine angenehme Abwechslung gegönnt, könnte man meinen – am Greifswalder Standort des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP).

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Technikhistoriker werden das vielleicht einmal differenzierter sehen. Nicht so sehr, weil die Versuchsanlage „Wendelstein 7-X“, die mit dem Merkelschen Knopfdruck den wissenschaftlichen Betrieb aufnahm, mit zehn Jahren Bauzeit und Kosten von rund einer Milliarde Euro besonders aufwendig war. Vielmehr hat Wendelstein 7-X das Zeug, die Erfüllung eines mehr als sechzig Jahre alten Menschheitstraums zu befördern: der Erzeugung von Energie durch Verschmelzung (Fusion) von Wasserstoffkernen.

Unerschöpflich, sauber und höllisch schwierig

Und was für ein Traum das ist. Anders als fossile Energieträger wären die Rohstoffe eines Fusionskraftwerks unerschöpflich: Wasser und Lithium, das in der Erdkruste häufiger vorkommt als Blei und das in das fusionsfreudige Wasserstoffisotop Tritium umgewandelt werden kann. Die Vorräte würden länger reichen als unser Planet existiert. Fusionsprozesse, die auch die Sonne schon jahrmilliardenlang leuchten lassen, sind eben effizient. Ließen sie sich kontrolliert in einem Kraftwerk aufrechterhalten, lieferte dieses auch nachts und bei Windstille, emittierte kein CO2 und anders als in Kernkraftwerken entstünde auch kein langfristig radioaktiver Abfall.

Doch während zwischen der Entdeckung der Kernspaltung und dem Bau des ersten Spaltreaktors nur wenige Jahre vergingen, basteln die Physiker an Fusionsreaktoren bereits seit 1951, als das amerikanische „Projekt Matterhorn“ begann. Damals entstand die bisher populärste Idee, wie das Sonnenfeuer bei geringeren Drücken als im Zentrum eines Sterns entfacht werden könnte: Man heize die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium soweit auf, dass ein Plasma genanntes Gemenge aus Elektronen und Atomkernen entsteht. Bei 100 Millionen Grad verschmelzen Deuterium und Tritium zu Helium. Da kein Material solche Temperaturen aushält, muss das Plasma durch Magnetfelder von den Wänden des Reaktorgefäßes ferngehalten werden.

Fortschritte wie nach Moore's Gesetz - nur ohne iPhone

Seit „Matterhorn“ ist zweierlei immer klarer geworden: Erstens ist die Physik eines Plasmas und seiner Interaktion mit Magnetfeldern höllisch kompliziert. Aber zweitens wurden trotzdem stetig Fortschritte gemacht. Orientiert man sich an einem Parameter, der beschreibt, wie dicht, heiß und dauerhaft Wasserstoffplasma von Magnetfeldern bisher eingeschlossen werden konnte, so erhält man eine Kurve, die an das Mooresche Gesetz erinnert, wonach die Zahl der integrierten Schaltkreise in einem Computerchip sich alle zwei Jahre verdoppelt. Besagter Plasmaparameter verdoppelt sich seit dem Ende der sechziger Jahre sogar alle 1,8 Monate – anders als bei Moores Gesetz, allerdings ohne zwischendurch Computertomographen, Flachbildschirme oder iPhones hervorzubringen.

So haben die Fusionsforscher nach 65 Jahren kaum mehr zu verkaufen als eine Vision. Doch der Weg dorthin führt nur über beinharte Grundlagenforschung – über das wilde Leben magnetisierter Plasmen. Ihr Projekt erinnert an ein Apolloprogramm, in dem zugleich Mondraketen konstruiert und die Gesetze der Gravitation enträtselt werden müssen.

Ideologie und Wankelmut

Aber dabei treibt kein Äquivalent des Sputnik-Schocks, vielmehr bleibt der gesellschaftliche Rückhalt der Fusionsforschung wechselhaft. Einige lehnen sie in Bausch und Bogen ab, etwa die Grünen, deren aktuelles Grundsatzprogramm ihr unterstellt, „unbeherrschbare Folgen für Umwelt und Gesellschaft“ zu schaffen. Aber auch Politiker, die mit großtechnischen Energiequellen keine weltanschaulichen Probleme haben, zeigen zuweilen ein wankelmütiges Verhältnis zur Fusion. In westlichen Staaten stiegen und fielen die Investitionen in Fusionsforschung seit 1978 in etwa parallel zum Ölpreis – mit ein paar Jahren Verzögerung.

Immerhin konnten damit immer teurere Versuchsanlagen errichtet werden, denn auf die Größe kommt es hier an. Je riesiger das Plasmavolumen, desto besser. Der Greifswalder Wendelstein 7-X, dessen alpin inspirierter Name übrigens an seinen Urahn, das Projekt Matterhorn, erinnert, ist mit 30 Kubikmetern Plasmavolumen seit Mittwoch die größte Fusionsforschungsanlage Deutschlands.

Das Milliardenprojekt „Iter“

Aber, wird sich manch einer fragen, gibt es da nicht dieses Gerät, das zurzeit in Südfrankreich gebaut wird? Der „International Thermonuclear Experimental Reactor“ (Iter) soll einmal 836 Kubikmeter Plasma fassen und ist zuletzt im November wieder in die Schlagzeilen geraten, als offiziell wurde, dass sich sein Betriebsbeginn um weitere sechs Jahre auf 2025 verzögert und er mit mindestens 15 Milliarden Euro dreimal teurer wird als zunächst geplant. Trotzdem soll Iter ein Meilenstein werden. Er ist zwar kein stromerzeugendes Kraftwerk, aber ein Versuchsreaktor, in dem die Fusionsreaktionen – wenn alles klappt – erstmals mehr Energie erzeugen als zum Heizen des Plasmas erforderlich ist und zwar zehnmal mehr, nämlich 500 Megawatt.

Nun ist Iter ein sogenannter Tokamak. In dem Namen steckt das russische Wort „Tok“ für „Strom“, denn 1952 entdeckten sowjetische Physiker, wie man Plasma in einem doughnutförmigen Magnetfeld zusammenhalten kann. Da die geladenen Teilchen, aus denen das Plasma besteht, sich eher entlang der Feldlinien bewegen als senkrecht dazu, ist ein Doughnut auf den ersten Blick eine ideale Form. Leider bringt ihre Erzeugung durch stromdurchflossene Spulen aber mit sich, dass die Feldlinien innen enger beieinanderliegen als außen. Das erzeugt eine Drift, die das Plasma entweichen lässt. Bei einem Tokamak wird das verhindert, indem man in dem Plasmaring einen Strom induziert. Der erzeugt dann selbst ein Magnetfeld, welches das erste Feld verdrillt und dadurch die Teilchen am Ende auf Spur hält. Diese Technik ist die, mit der die Plasmaphysiker bisher die größte Erfahrung haben, weswegen sie am Iter zum Einsatz kommt.

Tokamak vs. Stellarator

Aber sie hat Nachteile. Der eine ist, dass Tokamaks nur gepulst betrieben werden können. Für ein Kraftwerksbetrieb hätte man aber lieber einen kontinuierlichen Betrieb ohne an- und abschwellende Magnetfelder, welche die Strukturen belasten. Zweitens kann der elektrische Strom durch das Plasma zu unerwünschten Instabilitäten führen. Allen Boozer von der Columbia University in New York nennt noch ein weiteres Problem. „Eine Hauptschwierigkeit bei Anlagen wie Iter ist, dass sich das Plasma in einem selbstorganisierten Zustand befindet, was die Zuverlässigkeit der Berechnungen begrenzt.“ Das sei ähnlich wie beim Wetter, dessen chaotische Natur keine beliebig langfristigen Wettervorhersagen erlaubt.

Aber es existiert eine Alternative: Man gibt dem äußeren Magnetfeld von vorneherein eine verdrillte Form. Eine solche Anlage nennt man „Stellarator“, aber um damit einen optimalen Einschluss des Fusionsguts zu gewährleisten, muss das Plasmavolumen von der schönen Doughnut-Symmetrie abweichen.

Bizarre Bauform

„1980 hielt man Stelleratoren ohne Axensymmetrie für grundsätzlich ungeeignet zu Fusionszwecken“, erinnert sich Boozer, dessen Berechnungen dieses Dogma wenig später stürzten. Der Plasmatheoretiker Jürgen Nührenberg vom IPP in Garching habe dann 1988 zeigen können, wie mit Computern die Plasmaform eines optimalen Stellarators bestimmt werden kann und sein Institutskollege Peter Merkel, wie die zugehörigen Magnetfeldspulen zu berechnen sind. Bemerkenswert, sagt Boozer, sei aber auch die Leistung des damaligen IPP-Chefs Klaus Pinkau gewesen, dem es gelang, trotz der Übermacht der Tokamaks die Mittel für den Bau eines solchen optimierten Stellarators zu organisieren: des Wendelstein 7-X.

Für Allen Boozer ist die deutsche Maschine überaus bedeutend. „In Stellaratoren kann das externe Magnetfeld rechnerisch entworfen werden und das Plasma dadurch in einem Maße kontrolliert werden, wie bei keinem anderen Fusionskonzept. Der Wendelstein 7-X ist der erste ganzheitliche Test dieser Strategie.“

Aber etwas verrückt sieht er schon aus. Nührenbergs Computercode machte aus dem Doughnut ein gerundetes verdrilltes Fünfeck, dessen Querschnitt zwischen Birnen- und Bananenform wechselt. Entsprechend erinnerten die Segmente des Vakuumgefäßes, in dem das so geformte Plasma schwebt, eher an Skulpturen von Henry Moore. „Viele Kollegen sagten, die Idee sei schön, das könne aber keiner bauen“, erinnert sich Projektleiter Thomas Klinger vom Greifswalder IPP. „Heute sagen sie, schöne Idee, können aber nur die Deutschen bauen. Das ist nett, aber wir hatten natürlich viel Hilfe.“ Die uhrmachergenaue Fertigung der tonnenschweren und meterlangen Segmente des Zentralrings etwa habe ein Familienunternehmen aus Italien geleistet.

Am Mittwoch war das bizarre Design nur noch in der für einen Moment auf dem Kamerabild aufleuchtenden Wolke aus Wasserstoffplasma zu erahnen, die der Knopfdruck der Kanzlerin freisetzte. Bereits im Dezember hatte Klingers Team die Anlage mit Helium getestet, das leichter in ein Plasma zu verwandeln ist. Doch die fusionsrelevante Wissenschaft, die Allen Boozer und viele andere Stellaratorenphysiker so lange herbeigesehnt haben, die begann erst jetzt.

Kreisendes Plasma und die Hoffnung mit „H“

Und die ersten Ergebnisse stimmen Thomas Klinger froh. „Wir haben gesehen, dass das Plasma rotiert.“ Mit 50 Metern pro Sekunde kreisen die Plasmateilchen. Klinger macht dies Hoffnung, dass Wendelstein 7-X bei etwas stärkerer Heizung die sogenannte „H-Mode“ erreicht. „Das Plasma umgibt sich dabei mit einem Rand, ähnlich einem Eimer, der das Innere einschließt“, beschrieb einmal der Physiker Friedrich Wagner dieses Phänomen, das er 1982 am Garchinger IPP entdeckt hat und das eine mögliche Antwort darstellt auf die Frage, ob es denn in der Fusionsforschung schon mal einen Durchbruch gab. Denn ohne H-Mode wird die Kernfusion kaum funktionieren.

„Wir sind sehr zufrieden, mit wie wenig Heizung wir ein so traumhaftes Plasma bekommen haben“, sagt Klinger. Auch die Hitze stimmte. Die Elektronenkomponente des Plasmas erreichte mehr als 80 Millionen Grad, die Wasserstoffkerne wurden 10 Millionen Grad heiß. Später, wenn noch eine Zusatzheizung montiert ist, sollen beide Komponenten in die Nähe der für die Deuterium-Tritium-Fusion nötigen 100 Millionen Grad gebracht werden. Diese Reaktion wird aber im Wendelstein 7-X nie stattfinden. Für eine positive Energiebilanz ist die Anlage zu klein, weswegen man sich die Mühe mit dem Tritium spart, das wegen seiner (wenn auch milden) Radioaktivität, besonderer Vorkehrungen und Betriebsgenehmigungen bedarf.

Kein Tritium in Greifswald

Das Studium tritiumhaltigen Plasmas bleibt einem Stellarator von Iter-Format oder größer vorbehalten, dessen Bau wohl auf die Tagesordnung käme, sollte man mit Wendelstein 7-X und Iter feststellen, dass die bizarren Maschinen den symmetrischen Tokamaks tatsächlich so überlegen sind, wie etwa Allen Boozer es vermutet. Dessen Theoretikerkollege Per Helander aus Greifswald ist da noch vorsichtig. „Es ist zu früh zu sagen, welches Konzept am besten ist. Tokamaks hatten bisher immer den Vorteil, dass der Plasmaeinschluss besser war – und man versteht auch theoretisch warum – aber das kann sich mit Wendelstein 7-X ändern.“

Ein solcher Erfolg des neuen Gerätes würde den Weg zur Fusion sicherer machen, abkürzen dagegen dürfte er ihn wohl erst einmal nicht. Vor 2050, erklärte die IPP-Chefin Sibylle Günter vor drei Jahren in einer Expertenanhörung, werde die Kernfusion nicht zum Energiemix beitragen können. Nach den bisherigen Erfahrungen mag es auch ein oder zwei Jahrzehnte länger dauern. Wenn die Fusionsforscher und ihre öffentlichen Geldgeber aber bis dahin die Geduld behalten, würde sich die Energiefrage auf einmal vielleicht völlig neu stellen.