Deutschlands Milliardenwette auf die Kernfusion beginnt mit drei neuen Hubs

Proxima Fusion entwickelt ein Fusionskraftwerk auf Basis des Stellarator-Konzepts.

Foto: Proxima Fusion

Der Bau eines Fusionskraftwerks ist komplex. Es reicht nicht aus, ein mehr als 100 Mio. °C heißes Plasma zu erzeugen und magnetisch oder durch Trägheitseinschluss zu kontrollieren. Ein Kraftwerk müsste außerdem extremen Neutronenbelastungen standhalten, Wärme zuverlässig abführen, seinen Tritiumbrennstoff weitgehend selbst erzeugen und über lange Zeiträume wartbar bleiben.

An diesen technischen Aufgaben sollen drei neue nationale Fusionshubs arbeiten. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) hat die Standorte und Koordinatoren jetzt bekannt gegeben. In einer ersten Förderrunde stellt der Bund nach eigenen Angaben rund 125 Mio. € bereit. Die Förderung soll im August 2026 beginnen. Bis 2029 will das Ministerium die Hubs in sechs Phasen um weitere Forschungs- und Entwicklungsprojekte ergänzen.

Die Hubs sollen die bisherige Projektförderung nicht ersetzten. Sie sollen eine übergeordnete Struktur schaffen, gemeinsame Forschungsprogramme entwickeln, den Umgang mit geistigem Eigentum regeln und zusätzliche Partner aus Wissenschaft und Industrie einbinden. Ob dadurch schneller kraftwerkstaugliche Technik entsteht, hängt allerdings nicht allein von der Vernetzung ab. Für zahlreiche Komponenten fehlen weiterhin Tests unter realistischen Fusionsbedingungen.

Fusionshub „Mat-Trix“: Materialien und Tritiumkreislauf

Der Hub Mat-Trix kontentriert sich auf Materialien, Reaktorkomponenten und den Brennstoffkreislauf. Koordiniert wird er vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Neben Karlsruhe ist Gundremmingen als Standort vorgesehen. An dem Hub sind mit Focused Energy, Gauss Fusion, Marvel Fusion und Proxima Fusion alle vier deutschen Fusionsunternehmen beteiligt.

Im Inneren eines künftigen Deuterium-Tritium-Reaktors würden hochenergetische Neutronen auf die Reaktorwand und weitere Komponenten treffen. Dabei können Werkstoffe verspröden, aufquellen oder radioaktiv aktiviert werden. Aus diesem Grund werden Materialien benötigt, die hohen Temperaturen, mechanischen Belastungen und intensiver Neutronenstrahlung möglichst lange standhalten.
Ein weiterer Schwerpunkt sind sogenannte Brutblankets. Diese mehrere Dezimeter starken Komponenten umgeben das Plasma und sollen die Energie der Neutronen in nutzbare Wärme umwandeln, empfindliche Bauteile abschirmen und aus Lithium Tritium erzeugen. Tritium kommt in der Natur lediglich in sehr geringen Mengen vor. Ein Fusionskraftwerk müsste daher einen großen Teil seines Brennstoffs selbst erbrüten und in einem geschlossenen Kreislauf zurückgewinnen.

Das KIT entwickelt bereits Blanket-Konzepte, niedrig aktivierbare Werkstoffe und keramische Lithiummaterialien. Mit der Anlage „Kalos“ kann das Institut nach eigenen Angaben Tritium-Brutkeramiken im semiindustriellen Maßstab herstellen. Ob die Materialien und Kreislaufsysteme unter den Bedingungen eines Kraftwerks ausreichend lange funktionieren, ist bislang jedoch nicht nachgewiesen.

„Vega“: Laser und Targets für die Trägheitsfusion

Der Hub Vega soll sich der Laserfusion widmen. Koordiniert wird er von den Unternehmen Marvel Fusion und Focused Energy. Zentrale Standorte sollen das Gelände des früheren Kernkraftwerks Biblis sowie Hamburg und Schenefeld mit dem European XFEL werden.

Bei der lasergetriebenen Trägheitsfusion treffen starke Laserpulse auf ein kleines Target, das den Fusionsbrennstoff enthält. Die äußeren Schichten des Targets werden schlagartig erhitzt und abgestoßen. Durch den Rückstoß soll der Brennstoff im Inneren stark verdichtet und auf Fusionstemperatur gebracht werden. Für ein Kraftwerk genügt ein einzelner erfolgreicher Laserschuss nicht. Erforderlich wären dafür unter anderem leistungsfähige und effiziente Lasersysteme und eine industrielle Fertigung großer Stückzahlen gleichförmiger Targets. Außerdem wären Verfahren erforderlich, mit denen diese mehrmals pro Sekunde präzise in die Reaktionskammer eingebracht werden könnten. Auch die Kammer müsste den wiederholten Energieeinträgen und den entstehenden Neutronen standhalten.

Vega soll dafür Kompetenzen aus Photonik, Optik, Lasertechnik, sowie Diagnostik und Targetfertigung bündeln. Die beteiligten Unternehmen und Institute wollen darüber hinaus gemeinsame Forschungs- und Testinfrastrukturen aufbauen. Wie ein vollständiges lasergetriebenes Kraftwerk technisch und wirtschaftlich ausgelegt sein müsste, gilt es noch zu erforschen.

Fusionshub „Stride“: Stellaratoren für den Dauerbetrieb

Stride bearbeitet die Magnetfusion mit Schwerpunkt auf der Stellarator-Technologie. Den Fusionshub koordinieren das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) sowie die Unternehmen Proxima Fusion und Gauss Fusion. Als Hauptstandorte nennt das BMFTR Garching bei München und Gundremmingen. Forschungsarbeiten des IPP in Greifswald, insbesondere an der Anlage Wendelstein 7-X, sind eine wesentliche wissenschaftliche Grundlage des Programms.

Tokamaks und Stellaratoren schließen ein heißes Plasma mit Magnetfeldern ein, unterscheiden sich aber in deren Erzeugung. Beim Tokamak trägt ein starker elektrischer Strom im Plasma zum Magnetfeld bei. Ein Stellarator erzeugt die für den Einschluss erforderliche Feldstruktur im Wesentlichen mit komplex geformten äußeren Magnetspulen.

Der Bau solcher Spulensysteme ist konstruktiv und fertigungstechnisch anspruchsvoll. Im stationären Betrieb könnte es aber Vorteile geben: Da der Stellarator keinen starken, induktiv erzeugten Plasmastrom für den grundlegenden Einschluss benötigt, eignet sich das Konzept prinzipiell für lange Betriebszeiten.
Mit Wendelstein 7-X betreibt das IPP in Greifswald den weltweit größten Stellarator. Die Anlage ist kein Kraftwerksprototyp und erzeugt keinen Strom. Sie soll zeigen, ob sich ein optimiertes Stellaratorplasma über lange Zeiträume stabil und mit vertretbaren Energieverlusten betreiben lässt. STRIDE soll solche wissenschaftlichen Ergebnisse in industrielle Komponenten, Fertigungsverfahren und Testinfrastrukturen überführen.

Vom Forschungsverbund noch lange nicht zum Fusionskraftwerk

Die drei Fusionshubs decken unterschiedliche und teilweise technologieübergreifende Aufgaben ab. Mat-Trix bearbeitet Materialien und Brennstoffkreisläufe, Vega die lasergetriebene Trägheitsfusion und Stride Stellaratoren. Sie alle wollen Forschungseinrichtungen, Start-ups und etablierte Industrieunternehmen besser verzahnen.

Einen belastbaren Zeitplan für ein kommerzielles Fusionskraftwerk gibt es allerdings noch nicht. Denn es gilt noch viele offene Fragen zu klären. Dabei geht es unter anderem um die Lebensdauer der Materialien, die Tritiumversorgung, den Wirkungsgrad der Gesamtsysteme, Wartungs- und Austauschkonzepte sowie die Kosten von Bau und Betrieb. Viele Werkstoffe und Komponenten lassen sich binslang unter einem Neutronenspektrum erproben, das den Bedingungen eines Deuterium-Tritium-Kraftwerks vollständig entspricht. Ob und wann aus den Ansätzen tatsächlich ein wirtschaftlich nutzbares Fusionskraftwerk entsteht, wird sich daher wohl erst in den kommenden Jahren zeigen und noch eine Menge Arbeit erfordern. Die Pläne der Bundesregierung zumindest sind ambitioniert: 2040 soll demnach hierzulande des weltweit erste kommerzielle Kernfusionskraftwerk seinen Betrieb aufnehmen.