Das ITER-Fiasko wird den Fortschritt der Fusion beschleunigen

Der International Torus Experimental Reactor (ITER), ein gigantisches Tokamak-Fusionsgerät, wurde als das größte kooperative wissenschaftliche Einzelprojekt der Geschichte gefeiert, an dem Tausende von Wissenschaftlern und Ingenieuren aus 35 Nationen beteiligt waren.

Als Wunderwerk der Ingenieurskunst soll ITER nach seiner Fertigstellung zum ersten Mal eine groß angelegte Nettoenergieproduktion durch Fusionsreaktionen demonstrieren und das letzte Sprungbrett für einen Prototyp eines Fusionskraftwerks darstellen.

Aber von Anfang an hätten die überwältigende Größe und Komplexität des Systems Alarmglocken schrillen lassen müssen. Auch die Gefahr, ein bürokratisches Monster zu schaffen.

Seit Baubeginn im Jahr 2010 wurde ITER von einer schier endlosen Reihe von Problemen und Verzögerungen geplagt, die den angestrebten Fertigstellungstermin immer wieder nach hinten verschoben. Der Reaktor sollte ursprünglich im Jahr 2016 ans Netz gehen, doch heute ist der Bau noch im Gange.

Das letzte offizielle Ziel war 2025. Doch im November 2022 teilte der neu ernannte ITER-Direktor Pietro Barabaschi der Öffentlichkeit mit, dass das Zieldatum 2025 nicht mehr realistisch sei und dass zusätzliche Probleme aufgetaucht seien, deren Lösung „keine Frage von Wochen“ sei , sondern Monate, sogar Jahre.“

Im vergangenen Jahr wurden Mängel an zwei der wichtigsten Komponenten des Reaktors gemeldet: den Sektorplatten, die zusammengeschweißt werden sollen, um den Vakuumbehälter des Reaktors (seine „Brennkammer“) zu bilden, und an der thermischen Abschirmung des Reaktors.

Die französische Behörde für nukleare Sicherheit ordnete einen Montagestopp des Vakuumbehälters an, nachdem sie Fehlausrichtungen zwischen den Schweißflächen der ersten beiden 440-Tonnen-Behälterabschnitte festgestellt hatte. Diese waren offenbar beim Transport aus Südkorea, wo sie hergestellt wurden, beschädigt worden. Berichten zufolge erfordern die Mängel in der thermischen Abschirmung des Reaktors die Entfernung und den Austausch von 23 Kilometern Kühlrohren.

Bei Projekten mit vielen neuartigen Features sind solche Schwierigkeiten keine Seltenheit. Aber wenn sie noch auf eine endlose Reihe von Störungen und Verzögerungen in der jahrzehntelangen Geschichte von ITER stoßen, kann man das Projekt nur als Fiasko betrachten.

Der ITER könnte noch ein glückliches Ende haben, aber es wird anders ausfallen als ursprünglich geplant. Selbst wenn man davon ausgeht, dass der Betrieb im Jahr 2025 beginnen würde, sieht das offizielle ITER-Szenario weitere zehn Jahre Experimente vor, bevor der Reaktor seinen Betrieb mit Deuterium-Tritium-Brennstoff aufnimmt, der eine Fusionsreaktion erzeugt.

Wenn alles gut geht, könnte es noch fünf bis zehn Jahre dauern, bis ITER das versprochene Ziel einer zehnfachen „Return on Power“ (500 MW Fusionsleistung aus 50 MW zugeführter Heizleistung) erreicht.

Selbst dann ist ITER nicht darauf ausgelegt, Strom zu erzeugen, sondern lediglich die Grundlage für den Bau eines ersten Prototyps eines stromerzeugenden Fusionskraftwerks zu schaffen – das sogenannte „DEMO“. Im Erfolgsfall würde die „DEMO“ dann den Ausgangspunkt für kommerzielle Fusionsanlagen bilden, die Anfang der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts ans Netz gehen könnten.

Es versteht sich von selbst, dass dieses Szenario – sofern es überhaupt realisierbar ist – unerträglich langwierig ist.

Wie wird sich die traurige Geschichte von ITER auf die Aussichten für die Kernfusion auswirken?

Ironischerweise bin ich davon überzeugt, dass das ITER-Fiasko den Fortschritt auf dem Weg zur praktischen Verwirklichung der Fusionsenergie eher beschleunigen als verlangsamen wird.

Vor dem Hintergrund der weltweiten Energie- und Umweltherausforderungen spornt es Regierungen und privates Kapital an, mehr in alternative Szenarien zu investieren, die – zusammengenommen – das Versprechen bergen, kommerziell nutzbare Fusionsenergie in weitaus kürzerer Zeit zu realisieren.

Ein Hinweis darauf sind beschleunigte Pläne Chinas und Japans, ihre eigenen nationalen „DEMO“-Anlagen zu bauen, ohne unbedingt auf die Ergebnisse von ITER zu warten. In beiden Ländern laufen Reaktorprojekte, die tatsächlich die Rolle von ITER ersetzen und beschleunigen könnten Entwicklung auf der Grundlage von Wissen und Technologien, die zum Zeitpunkt der Genehmigung des endgültigen Entwurfs von ITER im Jahr 2001 noch nicht existierten.

Südkorea entwirft einen „K-DEMO“-Reaktor, der etwa 2,2 GW thermische Energie erzeugen und über 500 MW in das Stromnetz einspeisen soll.

Da diese Nationen an ITER beteiligt sind, werden sie in Erklärungen zu nationalen DEMO-Reaktoren diplomatisch immer noch als Nachfolger des ITER-Projekts dargestellt. Aber es gibt offensichtlich Bemühungen, Möglichkeiten zu finden, das endlose Warten auf die Inbetriebnahme von ITER zu überspringen und gleichzeitig auf die theoretischen und experimentellen Arbeiten zurückzugreifen, die unter dem Dach von ITER durchgeführt wurden.

Bedauerlicherweise basieren die Pläne verschiedener Nationen zum Bau von DEMO-Reaktoren meiner Meinung nach alle auf demselben Grundmodell wie der ITER: Es handelt sich allesamt um riesige, vergrößerte Tokamak-Anlagen.

Basierend auf 70 Jahren Erfahrung mit Tokamak-Reaktoren birgt dieser ultrakonservative Ansatz ein geringes Risiko hinsichtlich der Produktion großer Nettomengen an Fusionsenergie – aber ein sehr hohes Risiko, am Ende Systeme zu erhalten, die als Modelle für kommerziell realisierbare Kraftwerke unbrauchbar sind.

Das letztgenannte Risiko kann nur vermieden werden, indem revolutionäre Innovationen in den „klassischen“ Tokamak-Ansatz eingeführt oder auf alternative Designs umgestellt werden.

Die Erkenntnis, dass das ITER-Szenario eine lange Sackgasse ist, was die kommerziell realisierbare Stromerzeugung betrifft, ist zweifellos ein Faktor, der zu der beispiellosen Flut privaten Kapitals in alternative Fusionstechnologien beiträgt. Diese reichen von kompakten Hochfeld-Tokamaks bis hin zu revolutionären Konstruktionen wie dem magnetinertialen Fusionsreaktor von Helion Energy und ultrakurzpulslasergetriebenen Protonen-Bor-Reaktoren.

In den letzten drei Jahren sind über 4 Milliarden US-Dollar an privaten Geldern in die Fusion geflossen – mehr als die US-Regierung im gleichen Zeitraum für alle zivilen Fusionsaktivitäten ausgegeben hat.

Natürlich wurde die Begeisterung der Anleger durch die im Dezember 2022 gemeldete Erreichung der „wissenschaftlichen Gewinnschwelle“ bei Laserfusionsexperimenten in der US-amerikanischen National Ignition Facility noch verstärkt. Obwohl diese Errungenschaft eher einen Meilenstein als einen echten Durchbruch darstellt, hat sie die öffentliche Wahrnehmung der Fusion verändert und das Gefühl vermittelt, dass die Fusionsenergie dabei ist, eine konkrete Realität zu werden und nicht nur eine entfernte Möglichkeit.

Es ist erwähnenswert, dass das schnelle Wachstum der privaten Fusionsindustrie unmöglich gewesen wäre, wenn Fusions-„Oldtimer“ nicht aus Regierungslabors in den privaten Sektor abgewandert wären und wertvolles Fachwissen und Ideen mit sich gebracht hätten.

In vielen Fällen sind die privat finanzierten Projekte das Ergebnis von Experimenten mit vielversprechenden alternativen Reaktortypen, die ursprünglich in staatlich geförderten Labors durchgeführt, dann aber im Zusammenhang mit Budgetkürzungen und der wachsenden Priorität, die dem „Big Tokamak“-Ansatz beigemessen wird, aufgegeben wurden Fusion, die zu ITER führt.

Meiner Ansicht nach war das ITER-Projekt von Anfang an schlecht durchdacht und eher dazu bestimmt, die schnelle Realisierung der Fusionsenergie zu behindern als zu fördern. Unter anderem lieferte der herausragende Status, der ITER in der internationalen Fusionsforschung eingeräumt wird, einen Vorwand, um Arbeiten in andere Richtungen zu streichen.

Mit der unklugen Politik, „alle Eier in einen Korb zu legen“, betrachten die USA und die Europäische Union die Teilnahme an ITER inzwischen als Ersatz für die Verfolgung unabhängiger Programme auf nationaler Ebene. Derzeit fließt der größte Teil der staatlichen Förderung der Fusionsforschung weltweit in Aktivitäten im Zusammenhang mit dem ITER-Projekt.

ITER war von Anfang an eng mit der internationalen Politik auf hoher Ebene verknüpft, was einer unvoreingenommenen Entscheidungsfindung nicht förderlich ist.

Das Konzept eines internationalen Projekts zur Entwicklung der Fusionsenergie für friedliche Zwecke wurde auf dem berühmten Genfer Gipfeltreffen zwischen Präsident Ronald Reagan und dem sowjetischen Generalsekretär Michail Gorbatschow im November 1985 zur Sprache gebracht und in ihre gemeinsame Erklärung aufgenommen.

Die Idee wurde 1986 in einer Vereinbarung zwischen den USA, der UdSSR, der EU und Japan zur gemeinsamen Entwicklung eines großen Fusionsreaktors konkretisiert. Später schlossen sich China, die Republik Korea und Indien dem Projekt an.

Leider fiel die Entscheidung für den Bau eines „klassischen“ Tokamak-Reaktors gigantischer Dimensionen unter dem Einfluss einer mächtigen Lobby innerhalb der Fusionsgemeinschaft, auf Kosten einer breiten Suche nach alternativen Ansätzen. Politisch gesehen ist ein einzelnes spektakuläres Unterfangen attraktiver als ein „gesichtsloses“ Forschungsprogramm, wie gut es auch sein mag.

Zugegebenermaßen gibt es Grund zu der Annahme, dass es ITER nach seiner Fertigstellung letztendlich gelingen wird, durch Fusionsreaktionen eine große Nettoproduktion thermischer Energie zu erreichen. Es ist jedoch höchst unwahrscheinlich, dass ein System dieser Größe und Komplexität jemals zu einer kommerziell nutzbaren Energiequelle werden könnte.

Dabei ist zu bedenken, dass die primäre Aufgabe von ITER – entgegen seinem öffentlichen Image – nicht darin bestand, als realistisches Modell für kommerzielle Fusionskraftwerke zu dienen, sondern vielmehr darin, wissenschaftliche Erkenntnisse zu generieren und Komponenten und Technologie maßgeschneidert zu entwickeln und zu testen wichtig für die zukünftige Gestaltung stromerzeugender Fusionsreaktoren.

Leider haben die jahrzehntelangen Verzögerungen die Bedeutung von ITER für den laufenden Fusionswettlauf stark verringert. Und wenn ITER ans Netz geht, wird es in vielerlei Hinsicht veraltet sein.

Erinnern Sie sich noch einmal an die Geschichte des ITER-Projekts: Die konzeptionelle Entwurfsarbeit für den Reaktor begann 1988, gefolgt von einer Reihe technischer Entwurfsphasen, wobei der endgültige Entwurf 15 Jahre später, im Jahr 2001, genehmigt wurde.

Mittlerweile hat die Fusionswissenschaft und -technologie enorme Fortschritte gemacht. Würde man heute den gleichen Reaktortyp konstruieren, würde er mit ziemlicher Sicherheit ganz anders aussehen.

Dies wäre nicht so problematisch gewesen, wenn der Reaktor im Jahr 2016 ans Netz gegangen wäre. Doch heute, zwei Jahrzehnte nach der endgültigen Auslegung, ist der Reaktor immer noch nicht fertig und die prognostizierten Gesamtkosten sind um ein Vielfaches gestiegen und erreichen einen Wert, der unterschiedlich geschätzt wird zwischen 22 und 50 Milliarden Dollar.

Das mag nach viel Geld klingen, aber selbst wenn man die Kostenexplosion von ITER berücksichtigt, ist die Fusionsforschung im Verhältnis zu ihrer Bedeutung für die Welt von morgen schon lange unterfinanziert. Ironischerweise ist das ITER-Fiasko zu einem erheblichen Teil ein Ergebnis dieser chronischen Unterfinanzierung.

Derzeit beläuft sich die Unterstützung der US-Regierung für die Fusionsforschung – einschließlich der Kernfusion und der Trägheitsfusion – auf weniger als 0,005 % des BIP. Auf seinem Höhepunkt Anfang der 1980er Jahre entsprach das Fusionsbudget etwa 0,008 % des BIP.

Der Unterschied ist jedoch größer, als die bloßen Zahlen vermuten lassen. Im Gegensatz zu heute finanzierte die US-Regierung bis Mitte der 1980er Jahre neben der „klassischen“ Tokamak- und Laserfusion eine Vielzahl unterschiedlicher Fusionsansätze. Tatsächlich kann die Fusion – im Gegensatz zur Spaltung – prinzipiell auf sehr unterschiedliche Weise realisiert werden.

Doch ab etwa 1985 – im selben Jahr wie der Reagan-Gorbatschow-Gipfel – wurde das US-Fusionsbudget drastisch gekürzt. Das Programm wurde nach und nach „ausgedünnt“. Projekte wurden einer nach dem anderen entzogen und sogar ganz eingestellt.

(In diesem Artikel konzentriere ich mich auf die Fusion mit magnetischem Einschluss. Der Bereich des inertialen Einschlusses, für den die Laserfusion nur das bekannteste Beispiel ist, war ebenfalls einem katastrophalen „Ausdünnungsprozess“ ausgesetzt. Diese Geschichte läuft auf einer anderen Spur ab, und ich werde hier nicht näher darauf eingehen.)

Ein erschreckendes Beispiel für die Ausdünnung ist das Schicksal der Mirror Fusion Test Facility (MFTF) am Lawrence Livermore National Laboratory, einem vielversprechenden Fusionsgerät mit magnetischem Einschluss, dessen Konfiguration sich grundlegend von der eines Tokamaks unterscheidet.

Das MFTF-Projekt wurde 1986 eingestellt – am selben Tag, an dem der Bau des Reaktors abgeschlossen war. Da es kein Betriebsbudget gab, verloren die Mitarbeiter über Nacht ihre Jobs. Es wurden keine Experimente mit dem Gerät durchgeführt, dessen Bau umgerechnet über 1 Milliarde US-Dollar gekostet hatte.

Im Jahr 1997 führten Budgetkürzungen zur vorzeitigen Abschaltung des Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), der Rekordwerte bei der Fusionsenergieerzeugung erreicht hatte. Zwei Jahre vor seiner Abschaltung erreichte TFTR zudem eine Weltrekordtemperatur von 510 Millionen °C. Glücklicherweise dienten die in 15 Betriebsjahren gewonnenen Ergebnisse als Grundlage für spätere Geräte, wie zum Beispiel den japanischen JT-60.

Ein neuerer Fall ist der Alcator C-Mod-Reaktor am MIT, ein Tokamak-Gerät, das sich grundlegend von Tokamaks des „klassischen“ Typs unterscheidet und sich durch kompakte Größe und extrem hohe Magnetfelder auszeichnet. Dieses Gerät war das neueste einer ganzen Reihe von Geräten, die bis in die frühen 1970er Jahre zurückreichten und auf der Arbeit des brillanten italienisch-amerikanischen Physikers Bruno Coppi basierten. Obwohl Alcator C äußerst erfolgreich war – beispielsweise mit dem Erreichen des Weltrekords für Plasmadruck in einem magnetischen Einschlussgerät –, wurde es 2016 ohne Folgeprojekt stillgelegt.

Glücklicherweise wurde die Arbeit an einem kompakten Hochfeld-Tokamak-Ansatz mit Hilfe von privatem Kapital von der Firma Commonwealth Fusion wieder aufgenommen. Über das aktuelle Projekt habe ich in einem früheren Artikel geschrieben (https://asiatimes.com/2020/10/changing-the-rules-of-nuclear-fusion/).

Die Politik der USA, Europas und anderer Regierungen, alle (oder die meisten) Eier in den einzigen ITER-Korb zu legen, ist sowohl ein Ergebnis als auch eine Ursache für die Aufgabe eines breit angelegten Ansatzes zur Verwirklichung der Kernfusion, der eine angemessene Finanzierung beinhalten würde sowohl für „Mainline“- als auch für alternative Ansätze.

Einige Skeptiker werden auf die Schwierigkeiten von ITER als weiteren Beweis dafür verweisen, dass Fusionsenergie bestenfalls eine sehr ferne Zukunftsperspektive ist – oder sogar überhaupt nicht realisierbar ist. Das ist Unsinn.

Dank jahrzehntelanger Arbeit an Dutzenden von Tokamak-Geräten hat sich seit den späten 1960er Jahren der experimentell erreichte Wert des sogenannten Fusionsdreifachprodukts – des entscheidenden Parameters zur Messung des Fortschritts bei der Nettoenergieerzeugung durch Fusionsreaktionen – im Durchschnitt alle 1,8 Jahre verdoppelt. Das ist sogar schneller als das berühmte „Mooresche Gesetz“ für die Entwicklung von Halbleiterchips.

In den ersten Jahrzehnten der Fusionsforschung lag das Dreifachprodukt viele Größenordnungen unter dem Mindestniveau für den sogenannten wissenschaftlichen Breakeven (mehr Energie, die bei Fusionsreaktionen freigesetzt wird, als Energie aus Plasmaheizsystemen zugeführt wird).

Heutzutage liegen Versuchsreaktoren nur noch bei einem Faktor 10 des Grenzwertes. Wenn sich der Verdoppelungstrend fortsetzt – und es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass dies nicht der Fall sein wird – wird der Schwellenwert wahrscheinlich in einigen Jahren überschritten und die für eine rentable Stromproduktion erforderlichen höheren Werte werden nur noch wenige Jahre entfernt sein.

Dies setzt natürlich gut finanzierte, breit angelegte Anstrengungen der führenden Fusionsnationen voraus, die eine Vielzahl von Geräten umfassen, anstatt „alle Eier in einen Korb zu legen“.

Mittlerweile wurde bereits in den 1990er-Jahren die Erzeugung erheblicher Energiemengen durch Fusionsreaktionen im Multimegawatt-Leistungsbereich durch die beiden Tokamak-Reaktoren demonstriert: den Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) in Princeton und den Joint European Torus (JET) in Culham, England.

Im Jahr 1997 erzeugte JET eine Rekordfusionsleistung von 16 MW durch Deuterium-Tritium (DT)-Reaktionen bei Temperaturen von 100 bis 150 Millionen Grad. Die zugeführte Heizleistung war größer – etwa 24 MW –, aber das System kam damit nur auf einen Faktor von 1,5 an die wissenschaftliche Gewinnschwelle heran. Im Jahr 2022 produzierte JET eine Rekordenergieleistung von 60 Megajoule bei einer durchschnittlichen Leistung von 11 Megawatt.

Heutzutage arbeiten eine Reihe von Tokamak-Versuchsgeräten, wie zum Beispiel Chinas EAST, routinemäßig bei Temperaturen von 100 Millionen Grad und mehr, was ausreicht, um DT-Kraftstoff zu „verbrennen“. Derzeit führen die meisten von ihnen Experimente ohne Tritium durch, um große Neutronenstrahlung und die Notwendigkeit der Handhabung von Tritium zu vermeiden. Sonst wären die bisherigen Rekorde sicherlich inzwischen übertroffen worden.

Natürlich stellen diese Bemerkungen keinen „Beweis“ dafür dar, dass realisierbare Fusionskraftwerke bald Realität werden können. Aber sie geben Anlass zur Skepsis gegenüber den Skeptikern.

Ich schlage nicht vor, dass das ITER-Projekt – das zu etwa 80 % abgeschlossen ist – aufgegeben werden sollte. Es wird jedoch notwendig sein, die Prioritäten zu verschieben und die Rolle von ITER im Kontext der globalen Fusionsbemühungen neu zu definieren. Aufgegeben werden muss vor allem das Szenario, wonach ITER als Grundlage für den Bau eines Prototyps eines Fusionskraftwerks zur Stromerzeugung dienen würde. Es ist praktisch sicher, dass solche Anlagen völlig anders sein werden als ITER.

Aber das für ITER ausgegebene Geld geht nicht verloren. Bereits jetzt, Jahre bevor der Reaktor in Betrieb geht, hat das ITER-Projekt die Entwicklung der Fusionswissenschaft, -technologie und -technik auf vielfältige Weise stimuliert und zur Entwicklung einer industriellen Lieferkette für Fusionsreaktoren beigetragen.

Nach seiner Fertigstellung wird ITER eine Fülle von Erkenntnissen in der Plasmaphysik und anderen Bereichen generieren und als unschätzbar wertvoller Prüfstand für fusionsrelevante Technologien dienen.

Zugegeben, die Fusionsforschung ist kostspielig, das ITER-Projekt übermäßig. Aber anstatt sich über die Kosten zu beschweren, sollten sich Regierungen fragen: Lohnt es sich nicht, ein paar Tausendstel des Bruttosozialprodukts eines Jahres zu investieren, um eine unbegrenzte Energiequelle zu schaffen?

Jonathan Tennenbaum (PhD, Mathematik) ist ehemaliger Herausgeber des FUSION-Magazins und hat über eine Vielzahl von Themen in Wissenschaft und Technologie geschrieben, darunter mehrere Bücher über Kernenergie. Er ist außerdem internationaler Mitarbeiter des Instituts für Philosophie und Wissenschaftsgeschichte der Universität Lissabon und arbeitet an alternativen Ansätzen zur Quantenphysik.