Fusionsenergieforschung macht mit EU-Japan-Reaktor große Fortschritte

Die Einweihung der leistungsstärksten Fusionsmaschine der Welt bringt den Traum von sauberer, sicherer und reichlich vorhandener Energie näher.

In der ostjapanischen Stadt Naka steht ein sechsstöckiger Turm, der alles andere als ein gewöhnliches Gebäude ist.

Das Gerät, das sich innerhalb der zylindrischen Stahlkonstruktion befindet, wird Tokamak genannt. Es soll wirbelnde überhitzte Gase, sogenannte Plasmen, mit einer Temperatur von bis zu 200 Millionen Grad Celsius enthalten, mehr als zehnmal heißer als der Kern der Sonne.

Wichtiger Meilenstein

Der nordöstlich von Tokio gelegene Tokamak stellt den nächsten Schritt in einem jahrzehntelangen internationalen Bemühen um die Verwirklichung der Fusionsenergie dar und spiegelt die führende Rolle der EU und Japans wider.

Die Naka-Struktur, bekannt als JT-60SA, ist das Ergebnis eines Abkommens zwischen der EU und Japan aus dem Jahr 2007 zur Entwicklung der Fusionsenergie. Es ist der leistungsstärkste Tokamak der Welt und wurde im Dezember 2023 nach fast einem Jahrzehnt Bauzeit eingeweiht.

„Die Inbetriebnahme des JT-60SA ist ein sehr wichtiger Meilenstein“, sagte Professor Ambrogio Fasoli, ein italienischer Physikexperte, der ein Konsortium leitet, das EU-Mittel erhalten hat, um die aus der Fusion resultierenden kommerziellen Energieaussichten voranzutreiben.

Die Partnerschaft mit dem Namen EUROfusion bringt rund 170 Labore und Industriepartner aus 29 Ländern zusammen. Die Teilnehmer bringen Ausrüstung und Personal zum JT-60SA mit.

Fusionsenergiereaktoren wie der JT-60SA reproduzieren Prozesse, die in der Sonne und anderen Sternen ablaufen. Durch die Verschmelzung von Wasserstoffatomen zu Helium und einem Neutron, die Energie in Form von Wärme freisetzen, haben sie das Potenzial, eine sichere, saubere und nahezu unerschöpfliche Energiequelle zu erzeugen.

Keine Spaltung

Fusion ist das Gegenteil von Spaltung, dem Prozess, der das Herzstück traditioneller Kernkraftwerke ist. Während bei der Spaltung ein schweres Atom in zwei leichte Atome gespalten wird, werden bei der Fusion zwei leichte Atome zu einem größeren verbunden.

Im Gegensatz zur Kernspaltung entsteht bei der Kernfusion kein langlebiger Atommüll und es besteht kein Risiko einer Kernschmelze oder einer Kettenreaktion.

Die Fusionsforschung begann in den 1920er Jahren, als ein britischer Astrophysiker namens Arthur Eddington die Energie von Sternen mit der Fusion von Wasserstoff zu Helium in Verbindung brachte.

Ein Jahrhundert später, als sich der Klimawandel verschärft und Länder auf der ganzen Welt nach Alternativen zu den fossilen Brennstoffen suchen, die ihn verursachen, ist die Verlockung der Kernfusion stärker denn je.

Es bleiben jedoch erhebliche Hindernisse bestehen. Dazu gehören die technischen Herausforderungen beim Bau von Reaktoren, deren Wände aufgrund der extremen Hitze im Inneren nicht schmelzen, bei der Suche nach den besten Materialmischungen für die Fusionsproduktion und bei der Begrenzung der Strahlung von Materialien im Inneren des Reaktors.

Neu Nr. 1

Die europäische Energiekommissarin Kadri Simson nahm vor fünf Monaten an der Einweihung des JT-60SA in Naka teil.

Der 600 Millionen Euro teure Reaktor wurde gemeinsam von einer europäischen Organisation namens Fusion for Energy (F4E) und dem japanischen National Institute of Quantum Science and Technology, auch bekannt als QST, gebaut.

Als der JT-60SA für aktiv erklärt wurde, beanspruchte er den Titel des größten Tokamaks aus einer 40 Jahre alten Anlage im Vereinigten Königreich namens Joint European Torus (JET).

Der JT-60SA wird bis zu 41 Megawatt Heizleistung bieten, verglichen mit 38 MW beim JET.

„Wir haben die Maschine eingeschaltet und sie funktioniert“, sagte Guy Phillips, Leiter der JT-60SA-Einheit bei F4E. „Wir haben es geschafft, mit einem solchen Gerät die größte Plasmamenge aller Zeiten zu produzieren, was eine großartige Leistung ist. Aber das war nur der erste Schritt und wir haben noch viel Arbeit vor uns.“

Sprungbrett

JT-60SA wird in die Arbeit am nächsten geplanten Tokamak einfließen: ITER, das weltweit größte Fusionsexperiment.

ITER ist doppelt so groß wie der JT-60SA und wird auf einem 180 Hektar großen Gelände im Süden Frankreichs gebaut.

F4E verwaltet den europäischen Beitrag zu ITER, an dem 33 Länder beteiligt sind, sowie zum JT-60SA, dessen voraussichtliche Lebensdauer etwa 20 Jahre beträgt.

Sobald bestätigt ist, dass die Kernsysteme des JT-60SA funktionieren, wird der Reaktor für zwei bis drei Jahre planmäßig abgeschaltet, während ein externes Heizsystem hinzugefügt und andere aufgerüstet werden.

„Wenn wir in die nächste Betriebsphase eintreten, werden wir in der Lage sein, viel weiter in die Plasmaproduktion einzusteigen und verschiedene Konfigurationen zu verstehen“, sagte Phillips.

Wissensentwicklung

Kontinuität ist ein starkes Merkmal der Fusionsforschung.

Bevor sie sich dem JT-60SA zuwandten, arbeiteten die EUROfusion-Forscher an JET.

Diese Anlage brach ihren eigenen Rekord für die größte von einem Fusionsenergiereaktor erzeugte Energiemenge, bevor dort die letzten Experimente durchgeführt wurden und sie im Dezember 2023 geschlossen wurde.

Schätzungen zufolge reicht diese Energie mit 69 Megajoule in 5,2 Sekunden aus, um 12.000 Haushalte mit Strom zu versorgen.

„Der Fusionsenergierekord bei JET ist eine unglaublich starke Erinnerung daran, wie wir jetzt Fusionsreaktionen auf der Erde meistern“, sagte Fasoli.

Schauen Sie nach vorne

Angesichts der Bedeutung des Know-hows in diesem Bereich sind EUROfusion und F4E führende Programme, die darauf abzielen, zukünftige Generationen von Wissenschaftlern für die Kernfusion zu interessieren und auszubilden.

Zwei Faktoren bremsen das Interesse bestimmter junger Forscher an der Kernfusion: das Fehlen unmittelbarer Ergebnisse auf diesem Gebiet und eine indirekte, aber auch ungerechtfertigte Stigmatisierung im Zusammenhang mit der Kernspaltung, so Fasoli.

„Es ist eine generationsübergreifende Anstrengung“, sagte er. „Es besteht Bedarf an Bildung, Ausbildung und Strukturen, die interessierte Menschen halten können.“

Iliana Ivanova, EU-Kommissarin für Innovation, Forschung, Kultur, Bildung und Jugend, sagte bei einer Veranstaltung im März 2024 mit Industrievertretern, dass die Zusammenarbeit zwischen privaten und öffentlichen Einrichtungen im Fusionsbereich von wesentlicher Bedeutung sei, um die Demonstration der Fusionsstromerzeugung zu beschleunigen.

Ziel ist es, die größten Industrieakteure sowie Start-ups in den Übergang vom Labor zur Fertigung einzubeziehen – was wir als Labor zur Fab bezeichnen.

Laut Fasoli bedeutet dies, den Unternehmergeist und die industrielle Leistungsfähigkeit des Privatsektors mit dem Ehrgeiz und Realismus des öffentlichen Sektors zu verbinden.

Ihm zufolge könnte die Fusionsenergie in den 2050er Jahren Realität werden.

„Solange wir alle in die gleiche Richtung rudern, bleibt dieser Horizont meiner Meinung nach vernünftig“, sagte Fasoli. „Das heißt, wir brauchen die Zusammenarbeit aller.“

Dieser Artikel wurde ursprünglich in veröffentlicht Horizont das europäische Magazin für Forschung und Innovation.