Was soll ITER?

Nach 36 Jahren der Planung, Vorbereitung und der Herstellung der rund eine Million Einzelkomponenten ist der Bau des Fusionsreaktors ITER nun in vollem Gange. Seit Juli 2020 treffen nach und nach die in den 35 Mitgliedsstaaten des Riesenprojekts produzierten Bauteile im südfranzösischen Cadarache ein und werden in die Anlage eingebaut.

Auf dem Weg zum ersten Plasma

In drei Jahren soll der Fusionsreaktor samt aller Messeinrichtungen fertiggestellt sein und in Betrieb gehen. Bisher sind laut ITER-Konsortium schon rund 78 Prozent der dafür nötigen Arbeiten erledigt, der Zeitplan könnte demnach trotz Corona-Pandemie und den damit verknüpften Verzögerungen eingehalten werden. Zurzeit ist das erste Modul des tausend Tonnen schweren und 18 Meter hohen zentralen Solenoid-Magneten aus den USA nach Frankreich unterwegs – das Herzstück der Anlage.

Geht weiterhin alles glatt, wird 2025 zum ersten Mal ein Plasma in der Vakuumkammer des ITER-Torus erzeugt. Dieser doughnutförmige Ring fasst ein Plasmavolumen von mehr als 800 Kubikmeter – zehnmal mehr als die größten bisher gebauten Fusionsanlagen. Der Grund dafür: Je mehr Plasma komprimiert und auf die nötige Temperatur von 150 Millionen Grad gebracht wird, desto mehr von ihren Elektronen getrennten Atomkerne rasen in der Plasmawolke schnell durcheinander. Das erhöht die Kollisionswahrscheinlichkeit und damit die Zahl der möglichen Kernfusionen und der dadurch erzeugten Energie.

Der „Breakeven“-Punkt

Und genau darauf kommt es an: ITER soll das schaffen, was vor ihm kein anderer Fusionsreaktor auf der Erde geschafft hat: den „Breakeven“-Punkt Q zu erreichen und zu überwinden. Er markiert den Moment, an dem das Plasma in einem Fusionsreaktor genauso viel Energie abgibt wie von außen zu seiner Heizung hineingegeben wird. Diese Schwelle gilt als wichtige erste Hürde auf dem Weg zur Energiegewinnung durch Kernfusion.

Dafür muss ein Fusionsreaktor drei Kriterien erfüllen: Es muss eine Temperatur von mehr als 100 Millionen Grad erreicht werden, damit die Atomkerne sich schnell genug bewegen, um bei der Kollision die nötige Energie mitzubringen – nur dann erfolgt die Kernfusion. Als zweites muss die Teilchendichte hoch genug sein, um die Kollisionen möglich zu machen. Und als drittes muss das Plasma lange genug in der nötigen Hitze und Dichte gehalten werden – je länger diese Einschlusszeit, desto höher die Ausbeute an Kernfusionen und Energie.

Über die Schwelle hinaus

Am bisher nächsten kam dem Breakeven-Punkt der Joint European Torus (JET) in Großbritannien. Dieser Fusionsreaktor funktioniert nach ähnlichem Prinzip wie ITER, ist aber mit einer Plasmakammer von rund drei Metern Durchmesser viel kleiner. Er erzeugte im Jahr 1990 für wenige Sekunden 16 Megawatt Energie bei einem Heizenergie-Input von 24 Megawatt. Das entspricht einem Q-Wert von 0,67 – ein bis heute ungebrochener Rekord.

ITER soll diesen Rekord nicht nur knacken, sondern sogar einen Q-Faktor von 10 erreichen: Bei einer in das System gegebenen Heizleistung von 50 Megawatt soll die Kernfusion im rotierenden Plasma das Zehnfache an Energie in Form von Wärme wieder abgeben – 500 Megawatt. ITER wäre die erste menschengemachte Anlage, die eine solche Energiemenge durch die Verschmelzung von Atomkernen produziert – den Prozess, der die Sonne und alle Sterne leuchten lässt. Möglich werden soll dies unter anderem dadurch, dass ITER die Einschlusszeiten so lange steigert, bis die fusionsgeeigneten Bedingungen mehrere Minuten anhalten. Bislang schaffen Testreaktoren dies nur für wenige Sekunden.

Das erste „brennende“ Plasma

Einen weiteren Meilenstein könnte ITER schon bei einem Q-Faktor von 5 erreichen: Ab dann gibt die Kernfusion so viel Energie ab, dass das Plasma zu 50 Prozent und mehr zu seiner Aufheizung beiträgt. Dies geschieht, sobald durch die Kernfusion ausreichend viele Heliumkerne entstehen. Anders als die ebenfalls bei der Fusion freiwerdenden Neutronen sind diese Alphateilchen elektrisch geladen und bleiben daher im Magnetfeld des Reaktors gefangen. Dort übertragen sie ihre Energie durch Kollisionen aufs Wasserstoff-Plasma und heizen es auf.

Sollte ITER den Q-Faktor 5 erreichen, wäre er der erste Fusionsreaktor weltweit, der ein brennendes Plasma erzeugt – ein Plasma, dessen Eigenheizung höher ist als die extern zugeführte Heizenergie. Im Idealfall allerdings erzeugt die Kernfusion so viele Alphateilchen, dass sie allein schon ausreichen, um die Temperatur des Plasmas zu halten. An diesem Punkt wird die Kernfusion selbsterhaltend – das Plasma zündet. Ob ITER diesen Punkt erreichen wird, ist unklar.