Das Programm Fusion

Fachleute rechnen damit, dass sich der weltweite Stromverbrauch bis zum Jahr 2100 versechsfachen wird. Die Gründe dafür sind vielfältig: Immer mehr Menschen leben auf der Welt, die Lebensstandards verbessern sich und neue digitale Technologien treiben den Energiebedarf weiter in die Höhe. Die Kernfusion könnte helfen, diesen künftigen globalen Energiehunger zu stillen – insbesondere für Großstädte und große Industrieanlagen, weil sie ohne großen Landverbrauch kontinuierlich Energie liefern kann. Im Programm „Fusion“ arbeiten Helmholtz-Forscher:innen an dieser Vision. Vorbild ist dabei die Sonne: ein Plasmaball aus Wasserstoff, in dessen Inneren Wasserstoff-Atomkerne zu Helium verschmelzen. Diese Kernfusionsreaktionen erzeugen jene Energie, die unseren Planeten erleuchtet und erwärmt – und die wir als „Solarkraft“ nutzen.

Um das wissenschaftliche und technologische Fundament für ein Fusionskraftwerk zu legen, arbeiten die Expert:innen im Programm „Fusion“ eng mit internationalen Kooperationspartnern zusammen. Zwei zentrale Projekte der internationalen Fusionsforschung sind die Anlagen ITER und Wendelstein 7-X, mit denen verschiedene Ansätze zum magnetischen Einschluss eines Fusionsplasmas untersucht werden.

Wendelstein 7-X, im Jahr 2015 in Betrieb gegangen, ist eine nach dem Stellarator-Prinzip konstruierte Anlage – der derzeit größte und modernste Stellarator der Welt: Der magnetische Käfig, der das Fusionsplasma einschließt, wird ausschließlich durch ein System aus supraleitenden Spulen erzeugt. Mit bis zu 30 Minuten langen Entladungen soll Wendelstein 7-X – erstmals in der Geschichte der Fusionsforschung – die Fähigkeit zum Dauerbetrieb bei relevanten Plasmaparametern demonstrieren.

ITER (lat. „der Weg“) arbeitet nach dem Tokamak-Prinzip und wird derzeit in Cadarache/Frankreich im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit der Europäischen Union, China, Indien, Japan, Russland, Südkorea und den USA aufgebaut. In einem Tokamak wird das Fusionsplasma durch ein Magnetfeld eingeschlossen, das – anders als im Stellarator – teilweise von einem im Plasma fließenden elektrischen Strom erzeugt wird. ITER soll zum ersten Mal zeigen, dass ein Fusionskraftwerk über längere Zeit deutlich mehr Energie erzeugen kann als für das Aufheizen in das Plasma eingebracht wird.

Das deutsche Programm „Fusion“ sowie das europäische Fusionsprogramm rücken mehr und mehr auch die technische Nutzbarmachung der Kernfusion zur Energiegewinnung in den Fokus. Dafür werden fusionsbasierte Kraftwerkskonzepte erarbeitet sowie die nötigen fusionsspezifischen, z.B. neutronenresistenten, Materialien, Technologien und Komponenten auf Kraftwerksskala entwickelt.

Mit dem Programm „Fusion“ beteiligen wir uns darüber hinaus am Tokamak-Experiment ASDEX Upgrade („Axialsymmetrisches Divertor-Experiment“). Mit dieser Anlage werden Kernfragen der Fusionsforschung für ITER und für ein Demonstrationskraftwerk (DEMO) untersucht.

Die Fusionsforschung umfasst verschiedene Arbeitsgebiete: Experimentelle, theoretische und rechnergestützte Plasmaphysik, Plasma-Wand-Wechselwirkung – also Einflüsse des Wandmaterials auf das Plasma sowie das Materialverhalten unter Plasmabelastung –, die Entwicklung von Materialen, innovativen Technologien und Komponenten sowie den Bau und Betrieb großer Forschungsinfrastrukturen. Dabei wird ein wesentlicher Teil der Fusionsforschung von der Europäischen Union koordiniert und mitfinanziert. Seit 2014 sind die europäischen Fusionslaboratorien sowie zahlreiche assoziierte Partner Teil des EUROfusion-Konsortiums, das von der Europäischen Kommission finanziert wird. Die Beiträge der beteiligten Forschungszentren (Forschungszentrum Jülich, Karlsruher Institut für Technologie) machen etwa 30 Prozent des europäischen EUROfusion-Programms aus.

Überblick:

• Mit dem Programm „Fusion“ will Helmholtz dazu beitragen, die Kernfusion als nahezu unerschöpfliche Energiequelle nutzbar zu machen.
• Ziel ist, das wissenschaftliche und technologische Fundament für ein Fusionskraftwerk zu legen. Zwei zentrale Projekte dazu sind die Anlagen ITER und Wendelstein 7-X.
• Die Querschnittsaktivitäten „Plasmatheorie“ und „Fusionskraftwerk“, die sich mit den zentralen Fragen der Entwicklung von Kraftwerkskonzepten befassen, bilden einen Rahmen für die Koordination der vier Themen.

Themen:

• Stellarator-Forschung
• Tokamak-Physik
• Technologien und Materialien für die Fusion
• Plasma-Wand-Wechselwirkung

Beteiligte Helmholtz-Zentren:

• Forschungszentrum Jülich (FZJ)
• Karlsruher Institut für Technologie (KIT)