Die Fusionskraft kommt voran

Das ist zwar machbar, indem man ein dünnes Gas unter anderem mithilfe von mächtigen Mikrowellengeneratoren aufheizt. Dann kann die Fusion zünden – und das Plasma erzeugt von selbst eine immense Hitze, die sich abführen und zur Stromproduktion nutzen lässt. Außerdem sind enorm starke Magnetfelder erforderlich, um das heiße Plasma von den Wänden fernzuhalten und die wirbelnden Turbulenzen im Plasma im Zaum zu halten.

„Doch um daraus ein Kraftwerk zu bauen, müssen zahlreiche technologische Hürden überwunden werden“, sagt Hartmut Zohm vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching. Einige dieser Probleme betreffen alle Arten künftiger Kraftwerke, andere treten nur bei bestimmten Typen auf. Zwei fundamentale Probleme, die alle möglichen künftigen Fusionskraftwerke meistern müssen, sind die Gewinnung des nötigen Treibstoffs und die ultrastabilen Materialien, mit denen die Innenwände der Reaktoren ausgekleidet sein müssen.

Das Problem mit dem Treibstoff hat einen Namen: Tritium. Denn auch wenn es oft heißt, dass sich mit der Fusionskraft das Sonnenfeuer auf die Erde holen lässt, so stimmt das nur sehr eingeschränkt. Im Zentrum eines Sterns fusionieren allerhand unterschiedliche Atomkerne miteinander – und zwar mit sehr unterschiedlichen Raten, abhängig von der Größe des Sterns. Der Fusionsprozess, der sich am einfachsten auf der Erde reproduzieren lässt, ist die Verschmelzung eines Deuterium- und eines Tritium-Kerns. Dabei wird auch sehr viel Energie frei. Diese Kombination eignet sich also hervorragend für den Bau eines Kraftwerks. Alle anderen Fusionsreaktionen, zum Beispiel das Verschmelzen zweier einfacher Protonen, würden noch viel extremere Bedingungen an Temperatur und Druck erfordern.

Deuterium ist sogenannter schwerer Wasserstoff, bei dem noch ein Neutron an das Proton im Kern gebunden ist. In der Natur tritt Deuterium nur in geringer Menge auf, lässt sich aber mithilfe spezieller Anreicherungsanlagen in hoher Reinheit etwa aus Meerwasser gewinnen. Es gibt so viel Wasser auf der Erde, dass die Menge an Deuterium für Fusionszwecke quasi unerschöpflich ist. Allerdings: „Die Bereitstellung von Tritium stellt ein großes Problem dar“, stellt Zohm fest. Denn Tritium ist überschwerer Wasserstoff mit einem Proton und zwei Neutronen. Es ist in der freien Natur gar nicht zu finden, denn es ist radioaktiv und hat eine Halbwertszeit von rund zwölf Jahren. Es lässt sich zwar kostspielig in kleinen Mengen in Forschungsreaktoren herstellen, aber für den Betrieb in einem Fusionskraftwerk werden laufend deutlich größere Mengen davon benötigt.

Die Lösung besteht darin, das benötigte Tritium im Fusionskraftwerk selbst zu erzeugen. Denn beim Verschmelzen eines Deuterium- und eines Tritium-Atomkerns entsteht nicht nur ein Helium-Atomkern – also ein Alphateilchen –, sondern es wird auch ein sehr hochenergetisches Neutron freigesetzt. Neutronen sind elektrisch neutral und lassen sich mit Magnetfeldern nicht ablenken. Sie fliegen schnurstracks aus dem Plasma heraus und können auch dicke Stahlwände durchdringen.

Tritium aus der Brutschicht

Derart energiegeladene Neutronen degradieren auf längere Sicht alle Materialien, man muss sie deshalb abschirmen. Das Konzept für künftige Fusionskraftwerke sieht aus diesem Grund so aus: Zunächst ist eine extrem stabile Wand erforderlich, die die Hitzestrahlung des über 100 Millionen Grad Celsius heißen Plasmas übersteht. Dafür soll Wolfram zum Einsatz kommen, ein äußerst hitzefestes Metall. Dahinter kommt die sogenannte Brutschicht, die Lithium enthält. Und in dieser Schicht wird neues Tritium erzeugt.

„Hierfür wollen wir einen besonderen Kernprozess nutzen“, erläutert Hartmut Zohm. „Wenn ein Neutron auf Lithium trifft, spaltet sich dieser Atomkern in einen Helium- und einen Tritium-Kern.“ Das Tritium lässt sich über spezielle Membranen und chemische Verfahren abtrennen und in den Fusionskreislauf zurückführen. Das heißt: Man braucht zum Start eines Fusionsreaktors eine gewisse Menge Tritium, aber nach einer Weile produziert der Reaktor diesen Treibstoff selbst. Nur Deuterium und Lithium müssen von außen nachgeliefert werden.

Das klingt konzeptionell nicht sonderlich schwierig, ist aber mit immensen technischen Herausforderungen verbunden. Schließlich ist es erforderlich, diese Brutschicht gut zu kühlten, und sie unterliegt großen Beanspruchungen. Sie muss deshalb regelmäßig getauscht und erneuert werden – etwa bei der jährlichen Revision des Kraftwerks.

Hinter der Brutschicht befindet sich der Neutronenschild, um die übrigen Neutronen abzubremsen und einzufangen. Hierfür eignet sich unter anderem gewöhnliches Wasser sehr gut. Dann benötigt man ein Kühlsystem, um die enorme Wärme aus dem Reaktor abzuführen und der Turbine zuzuführen. „Wir wollen ja schließlich Strom gewinnen!“, sagt Zohm. Diese ganze Kombination von Wandschichten ist gut einen Meter dick. Dahinter befinden sich bereits die supraleitenden Spulen, die auf tiefe Temperaturen gekühlt werden müssen, um ein starkes und stabiles Magnetfeld zu erzeugen.

„Hier kann man gut die immensen Anforderungen ablesen, mit denen die Ingenieure zu kämpfen haben“, erläutert Zohm. Zwischen den empfindlichen Magnetspulen und dem Höllenfeuer in der Brennkammer liegt nur gut ein Meter an Material. Und dessen Schichten müssen nicht nur für Kühlung sorgen, sondern zugleich Tritium erbrüten, es einsammeln, die Neutronen stoppen und die Abwärme in den Turbinenkreislauf leiten.

ITER weist den Weg

Das Großprojekt ITER – das Kürzel steht für Internationaler Thermonuklearer Experimental-Reaktor – soll zeigen, dass all das machbar ist. Auch wenn dieser Prototyp einiges an Spott auf sich gezogen hat, weil er zeitlich enorm in Verzug geraten ist und sein Budget mehrfach deutlich überschritten wurde: Alle geplanten Fusionskraftwerke, gleich welchen Typs, profitieren von den wissenschaftlichen und technischen Erkenntnissen, die die Forscher bei ITER gewinnen. Die Verzögerungen bei dem Großprojekt waren auch der Tatsache geschuldet, dass viele Bauaufträge für die Unterkomponenten nach nationalem Proporz vergeben wurden und nicht danach, wer auf welchem Gebiet die größte Kompetenz besaß.

Doch das Konsortium arbeitet inzwischen weitaus zielgerichteter. Anfangs wurde mit einem Gesamtbudget von etwas mehr als sechs Milliarden Euro gerechnet, doch vermutlich werden es über 20 Milliarden Euro sein. Der Betrieb des Experimentalreaktors soll 2033 starten. Die dort gewonnenen Erkenntnisse, so der Plan, werden direkt in den Bau von DEMO einfließen, eines Demonstrationskraftwerks. DEMO wird dann keine Experimentalanlage mehr sein wie ITER, sondern der Prototyp eines Fusionskraftwerks. Er soll bereits Netto-Strom erzeugen und einen geschlossenen Tritium-Kreislauf besitzen. Gelingt es der Anlage, im stunden- oder tagelangen Dauerbetrieb elektrischen Strom zu gewinnen, steht die Tür für den serienmäßigen Bau von Fusionskraftwerken offen.

Tokamak oder Stellarator?

Die große Frage ist allerdings, ob ein künftiges Fusionskraftwerk wirklich vom selben Typ wie ITER und DEMO sein wird. Diese beiden Anlagen folgen dem sogenannten Tokamak-Design – dem seit Jahrzehnten gängigsten Typ für Fusionsanlagen. Doch in den letzten Jahren hat auch ein anderes Konzept eindrucksvolle Ergebnisse geliefert: der Stellarator. „Um den Unterschied zwischen beiden Konzepten zu verstehen, muss man wissen, wie das heiße Plasma von den Wänden ferngehalten wird“, sagt Felix Warmer von der Greifswalder Zweigstelle des IPP. Dort befindet sich Wendelstein 7-X, das weltweit führende Stellarator-Experiment. Erst kürzlich gab es dort ein großes Jubiläum zu feiern: Vor zehn Jahren zündete in Greifswald das erste Plasma.

„Die geladenen Teilchen im Plasma müssen auf zweierlei Weise abgelenkt werden“, erklärt Warmer. „Einmal müssen sie im Kreis durch den Torus fliegen und dann müssen wir ihnen auch noch eine schraubenförmige Bewegung entlang dieser Kreisbahn aufzwingen.“ Sonst würden sie nach oben oder unten aus dem Ringstrom herausfliegen und die Wände beschädigen. Außerdem würde das Plasma rasch abkühlen, wenn alle heißen Teilchen sich sofort verdünnisieren. Die Kreisbewegung lässt sich durch ringförmige Spulen erzeugen, die rund um das Vakuumgefäß gewickelt sind.

Das heiße Plasma wird selbst zur Spule

Das andere Feld, das die Teilchen auf schraubenförmige Bahnen zwingt, entsteht bei Tokamaks durch einen speziellen Trick: Beim Hochfahren eines starken externen Feldes wird im Plasma ein starker Strom induziert. Das bedeutet: Das Plasma selbst wirkt quasi als Spule, die um sich herum ein ringförmiges Magnetfeld hervorruft. „Dieser Kniff funktioniert erstaunlich gut und hat zur großen, jahrzehntelangen Popularität von Fusionsreaktoren nach dem Tokamak-Prinzip geführt, da es zu einem sehr guten Einschluss des Plasmas führt“, sagt Hartmut Zohm.

Komplexe Magnetfelder umgeben das Plasma

Stellaratoren hingegen galten anfangs als „löchrig“, weil der magnetische Einschluss des Plasmas nicht gut funktionierte. Diese Maschinen folgen einer anderen Idee: Nicht ein induzierter Ringstrom im Plasma, sondern komplex geformte äußere Magnetfelder bringen das brodelnde Plasma auf Schraubenkurs. Nach jahrelangen Versuchen und vielen Verbesserungen gelang es den Forschern in Greifswald schließlich, die Löcher zu schließen und das Plasma ebenso gut im Zentrum des Vakuumrings einzuschließen wie bei einem Tokamak. Die hochkomplexe Form der Magnetspulen lässt sich nur durch Supercomputer berechnen. Doch Wendelstein 7-X läuft nun viel besser, als viele Forscher es erwartet hatten.

„Wenn wir früher bei Kollegen im Ausland waren, dann galten unsere Stellarator-Experimente hier in Greifswald ein bisschen als Kuriosität“, erinnert sich Warmer schmunzelnd. Doch die Stimmung hat sich gedreht. Denn Wendelstein 7-X liefert Ergebnisse, die man einer so kleinen Anlage kaum zugetraut hätte. Im Mai 2025 erzielte das Experiment einen Rekordwert für das sogenannte Tripelprodukt bei langen Plasmaentladungen. Dieser Wert stellt die zentrale Messgröße für den Betrieb von Fusionskraftwerken dar und beschreibt die Bedingungen, die man zum Zünden und Aufrechterhalten der Fusion benötigt. Die Greifswalder konnten über 43 Sekunden einen Bestwert erzielen. Dabei übertrafen sie sogar deutlich größere Tokamaks – obwohl Größe bei derartigen Versuchen sehr hilfreich ist. Das hat viele Skeptiker überzeugt.

Und Stellaratoren weisen einige weitere vorteilhafte Eigenschaften auf. Tokamaks können nicht beliebig lange den induzierten Ringstrom im Plasma aufrechterhalten – nach etlichen Stunden oder Tagen muss das Magnetfeld heruntergefahren werden, bevor nach einer kurzen Weile ein neuer Zyklus beginnt. Das sorgt für Unterbrechungen bei der Stromproduktion. Und schlimmer noch: Der regelmäßige Lastwechsel erhöht die Beanspruchung aller Materialien im Kraftwerk und lässt die Werkstoffe schneller altern.

Die Furcht vor einem Abriss des Teilchenstroms

Zudem müssen Tokamaks vor dem gefürchteten Abriss des Plasmastroms geschützt werden. Wenn sich ein solcher Abriss ereignet, bricht innerhalb von Sekundenbruchteilen ein viele Megaampere starker Strom zusammen. Das induziert derart starke Wirbelströme in der Vakuumkammer, dass die ganze Anlage kräftig durchgeschüttelt wird. Massive Stahlstreben müssen die wertvollen Komponenten an Ort und Stelle halten. Die Konstrukteure versuchen auch, mit einer ausgefeilten Plasmadiagnostik solche Ereignisse rechtzeitig zu erkennen und derart zu beeinflussen, dass sie nicht die ganze Anlage beschädigen.

Bei Stellaratoren treten all diese Probleme nicht auf. Solche Reaktoren können ohne Unterbrechung laufen. Sie kennen auch nicht das Problem mit der Unterbrechung des Plasmastroms. Denn sie benötigen ja gar keinen Strom, weil bei ihnen der magnetische Einschluss allein durch die komplexen äußeren Magnetfelder garantiert wird. Stellaratoren sind zwar sehr komplex zu konstruieren, aber mittlerweile gibt es leistungsfähige Supercomputer, mit denen sich die Spulenform und die Plasmaeigenschaften zuverlässig berechnen lassen.

Es gibt inzwischen Start-up-Unternehmen, die sich dem Bau von Stellaratoren für ein Fusionskraftwerk verschrieben haben. Das weltweit führende ist Proxima Fusion, gegründet von Mitarbeitern des IPP, die ihr Handwerk bei Wendelstein 7-X gelernt haben. Zum Beispiel Jorrit Lion, der in Greifswald seine Doktorarbeit zur Frage geschrieben hat, wie man von einer Experimentieranlage zum Fusionskraftwerk kommt. Lion ist Mitgründer von Proxima Fusion und sagt: „Wir designen gegenwärtig eine Demonstrationsmaschine, die Anfang der 2030er-Jahre in Betrieb gehen soll.“

Diese Anlage mit dem Namen „Alpha“ ist nur für kurze Plasmadauern gedacht, weil sie noch kostengünstig ohne aufwendige Kühlsysteme ausgelegt ist. Doch während des Betriebs soll sie bereits mehr Energie aus der Deuterium-Tritium-Fusion erzeugen, als an Heizenergie von außen in das Plasma hineingesteckt wird.

Wenn das funktioniert wie geplant, soll kurz danach bereits mit dem Bau eines echten Stellarator-Fusionskraftwerks namens „Stellaris“ begonnen werden – des eventuell ersten Fusionskraftwerks überhaupt. Sollte das so klappen, hätte man ITER und DEMO und die gesamte Tokamak-Technologie auf dem Weg zum kommerziellen Kraftwerk in Windeseile überholt. Möglich wäre das unter anderem, weil Stellaratoren so gutmütig sind und sie keine aufwendigen strukturellen Verstärkungen und Plasmadiagnostiken für die Vorhersage und Abschwächung von Plasmadisruptionen benötigen, wie sie bei Tokamaks auftreten können. „Dank moderner Hochtemperatursupraleiter können wir nun außerdem Designs für Fusionskraftwerke auslegen, die nur noch halb so groß sind wie noch vor einigen Jahren: Für ein Kraftwerk mit einem Gigawatt kommen wir mit einem Ringdurchmesser von rund 20 Metern aus“, berichtet Lion.

Aber vielleicht kommt noch von ganz anderer Seite Konkurrenz. Denn auch das Gebiet der sogenannten Trägheitsfusion hat in den letzten Jahren Aufwind erfahren. Dabei wird die Energie von turnhallengroßen Lasersystemen auf ein millimetergroßes Kügelchen aus Brennstoff gebündelt. Forschern der National Ignition Facility in den USA gelang es vor einigen Jahren, 192 ultrastarke Laserstrahlen in einem kurzen Blitz auf eine spezielle Kapsel zu fokussieren, um den darin eingeschlossenen Brennstoff zu zünden. Die Kapsel bestand aus einer Hülle aus Gold, die den Brennstoff umschloss.

Einheizen mit ultrastarken Laserpulsen

Der starke Laserpuls erhitzte die Oberfläche der Kapsel so stark, dass sie nach außen weggesprengt wurde, was wiederum den Brennstoff im Inneren enorm komprimierte und aufheizte – auf über 100 Millionen Grad Celsius. Dann zündete die Fusion an einem „Hotspot“, also einem besonders heißen und dichten Bereich des Brennstoffkügelchens. Diese Fusionsreaktion sorgte dann für so viel zusätzliche Hitze, dass sich eine Brennwelle in winzigen Sekundenbruchteilen über einen Großteil des Kügelchens ausbreitete und dadurch Energie erzeugte.

Das Münchner Start-up-Unternehmen Marvel Fusion hat sich die Kommerzialisierung der Trägheitsfusion auf die Fahnen geschrieben. „Die laserbasierte Trägheitsfusion eröffnet auch die Möglichkeit, Brennstoffe jenseits der beiden Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium zu verwenden und damit mehr Fusionsenergie mit insgesamt weniger Tritium zu erzeugen“, sagt Hartmut Ruhl, der an der Universität München lehrt und wissenschaftlicher Vorstand von Marvel Fusion ist.

Die Idee hinter diesem Kraftwerkskonzept: Man schießt je Sekunde mehrere Brennstoffkügelchen in den Fokus der Hochleistungslaser und zündet per Laserblitz. Dann muss mit starken Magneten das entstandene Plasma beiseitebefördert werden, bevor nach rund einer Zehntelsekunde das nächste Kügelchen angeschossen kommt. Wenn das funktioniert, lässt sich ähnlich viel Energie gewinnen wie bei anderen Fusionskraftwerken. Doch dabei ist viel technologisches Neuland zu betreten. Vor allem müssen Laser entscheidend verbessert werden. „Es zeichnen sich aber interessante neue Ansätze in der Lasertechnik ab“, sagt Ruhl. Zudem muss die Zündung effizienter laufen als bei den bisherigen Versuchen. Dazu will Marvel Fusion Brennstoffkugeln entwickeln, die dank Nanotechnologie den Laserblitz so gut einfangen, dass sie zuverlässig eine Fusionsreaktion starten. Versuche dazu sollen in den nächsten Jahren beginnen – dann geht das Rennen um das erste Fusionskraftwerk richtig los. Vielleicht kommt es – allen Unkenrufen zum Trotz – doch schneller als geahnt. ■