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Seit 2014 entsteht mit dem Projekt ITER im südfranzösischen Cadarache der grösste Kernfusionsreaktor der Geschichte. Als Alternative zur Kernspaltung könnte der Kernfusion eine zentrale Rolle in der Energieversorgung der Welt von morgen zukommen.
Ohne Kernfusion kein Leben. Den britischen Astrophysiker und praktizierenden Quäker Arthur Eddington dürfte diese Bedingung der Existenz irdischen Lebens, als Folge einer physikalischen Reaktion, umgetrieben haben. 1920 entdeckte der Professor aus Cambridge als erster die Energiequelle der Sonne. Das dieser zugrundeliegende Phänomen, die Proton-Proton-Reaktion, wurde einige Jahre darauf vom deutschen Physiker und späteren Nobelpreisträger Hans Bethe beschrieben. Bei einer Temperatur von 15 Mio. Grad und unter einem Druck von 200 Mia. Atmosphären verschmelzen in der Sonne Wasserstoff-Atomkerne zu Helium-Atomkernen und setzen dabei pro Sekunde 4 Mio. Tonnen Sonnenmasse frei, die sich, gemäss Einsteins berühmt gewordener Theorie (e = mc²), unmittelbar in Energie umwandeln. Der Gedanke, diesen gigantischen, stellaren Fusionsreaktor im Kleinen auf unserer Erde nachzuempfinden und sich damit eine neue Energiequelle zu erschliessen existiert bereits lange. In Zeiten der Energiewende erfährt er eine neue Aktualität. Die Forschung zur Kernfusion ist heute bereits weit fortgeschritten. Dem «International Thermonuclear Experimental Reactor» (ITER) im südfranzösischen Cadarache kommt dabei eine zentrale Rolle zu. Indirekt beteiligt sich auch die Schweiz daran.
Tokamak und JET
Bereits während der Zeit des Zweiten Weltkriegs wurden die theoretischen Grundlagen für eine kontrollierte Kernfusion zur Erzeugung von Strom von den Physikern Enrico Femi und Edward Teller gelegt. Ab den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde die Idee dann sowohl in der Sowjetunion als auch im Westen, unter strengster Geheimhaltung, weiterverfolgt. Auf unterschiedlichen Wegen verfolgte man das gleiche Ziel. Nichts weniger als die Energiequelle der Sterne wollte man sich zu Nutzen machen. Während man im Westen bezeichnenderweise auf die Entwicklung von Stellaratoren setzte, entwickelte man im Osten die Idee des Tokamak-Reaktors. Nachdem die Sowjetunion 1958 an der Zweiten Internationalen Genfer Atomkonferenz ihre Forschungsergebnisse zum Tokamak-Reaktor, nicht ganz freiwillig, offenlegte und damit eine verstärkte Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Fusionsforschung zwischen West und Ost anregte, wurde dieser spezifische Reaktortyp auch bei uns bekannt und setzte sich, wegen des technisch einfacheren Prinzips, durch. In einem Tokamak-Reaktor wird ein erhitztes Wasserstoffplasma aus Deuterium und Tritium in einem starken Magnetfeld eingeschlossen und in einem Torus-Behältnis auf mindestens 150 Mio. Grad erhitzt. Danach wird dem Plasma für wenige Sekunden pulsweise 50 bis 100 Megawatt Gleichstrom zugeführt um die Kernfusion zu zünden. Mit einem Teil der dabei freiwerdenden Energie könnten dann Dampfturbinen in Kraftwerken angetrieben werden. Das Potential der Reaktion beeindruckt. So wäre es, gemäss Angaben des Max-Plank-Instituts, möglich mit einem Gramm Brennstoff in einem Kraftwerk 90‘000 Kilowattstunden Energie erzeugt werden. Das entspräche der Verbrennungswärme von rund 11 Tonnen Kohle. Als Folge der Gründung der Europäischen Atomgemeinschaft (EURATOM) durch Frankreich, Italien, die Benelux-Länder und Deutschland in den späten 50er Jahren beschloss man 1973 einen ersten Versuchsreaktor nach dem Tokamak-Prinzip als europäisches Gemeinschaftsprojekt zu realisieren. 1983 konnte der Experimentierbetrieb des «Joint European Torus» (JET) im britischen Culham schliesslich aufgenommen werden. Bis heute ist er der weltweit grösste Fusionsreaktor nach dem Tokamak-Prinzip. Am 9. November 1991 gelang es im JET, erstmalig in der Geschichte, eine Kernfusion zu erzielen und 1.8 Megawatt Energie zu erzeugen. Unter technisch verbesserten und erweiterten Voraussetzungen konnten 1997 16 Megawatt durch eine Kernfusion realisiert werden. Das entsprach in etwa 2/3 der für die Fusion eingespeisten Heizleistung. Damit ist eine der zentralen Herausforderungen der Kernfusion angesprochen. Bis heute konnte noch nicht mehr Energie aus einer Kernfusion gewonnen werden, wie für deren Ablauf aufgewendet werden musste. Beim JET sind die Voraussetzungen dafür, bedingt durch dessen Grösse, nicht gegeben. Im südfranzösischen Cadarache soll sich das in nicht allzu ferner Zukunft nun aber ändern. Hier entsteht seit 2014 der dereinst grösste Kernfusionsreaktor nach dem Tokamak-Prinzip der Welt. Der ITER.
ITER – Kind eines anbrechenden Frühlings
Am 19.11.1985 trafen sich Michail Gorbatschow und Ronald Reagan in Genf. In die Geschichte eingegangen ist diese Gipfelkonferenz als wichtiger Markstein der sich von da an schon bald verbessernden Beziehungen zwischen Ost und West. Es war die Zeit der beginnenden Glasnost und Perestroika und das nahe Ende des Kalten Kriegs liess sich langsam erahnen. Während des Treffens regte Gorbatschow eine multinationale Zusammenarbeit auf dem Bereich der Kernfusionsforschung zu friedlichen Zwecken und den Bau eines gemeinsamen Fusionsreaktors an. Reagan, sonst ein glühender Antikommunist, erkannte den Vorschlag als Zeichen der politischen Entspannung und man wurde sich einig. Der geistige Grundstein für das Projekt ITER war damit gelegt. 1986 wurde man konkreter. In einer Vereinbarung einigten sich die USA, die Sowjetunion, die Europäische Union und Japan darauf das gemeinsame Projekt in Angriff zu nehmen und ab 1988 begann die konzeptuelle Arbeit zu ITER. Nachdem ein erster Projektentwurf 1998 von den Mitgliedern wegen der überdimensionierten Masse und vor allem auch Kosten verworfen worden war (geplant war eine Anlage mit einer beabsichtigten Endleistung von 1500 MW) einigte man sich 2001 schliesslich auf eine Anlage mit einer vorgesehenen Leistung von 500 MW. Bis heute hält man an diesem Plan fest. 2003 schlossen sich die Volksrepublik China und Südkorea und 2005 Indien dem Projekt an. Am 21. 11. 2006 konnte im Pariser Elysée Palast zwischen den Partnern dann die offiziellen ITER-Verträge unterzeichnet werden. Die Forschungsergebnisse und das neue, aus ITER gewonnene technische Know-How auf dem Bereich der Kernfusion sollten den einzelnen Mitgliedern gemeinschaftlich gehören und für sie in Zukunft zugänglich sein. Als operative Trägerin von ITER wurde 2007 die ITER-Organisation gegründet. Für die Zusammenarbeit mit letzterer und zur Koordination und Einhaltung der Kontributionen an ITER entstanden, auf der nationalen Ebene der einzelnen Mitglieder, neue Organisationen. So wurde für die EU, durch die EURATOM initiiert, die Agentur Fusion for Energy gegründet.
Baustelle der Superlative und Zielsetzung
ITER ist ein Projekt der Superlative. Nicht zu Unrecht bezeichnete der damalige Französische Staatspräsident Jacques Chirac, einer der Mitunterzeichner der der ITER-Verträge, das Projekt als das grösste seit der Internationalen Raumstation (ISS). Dass lässt sich bereits durch die Dimensionen erahnen, die ITER dereinst einmal erreichen soll. Auf einer Fläche von 180 Hektaren ist ein Komplex mit 39 Gebäuden geplant. Das Herzstück, das Gebäude für den Tokamak-Fusionsreaktor soll eine Höhe von 60 Metern erreichen und befindet sich aktuell im Bau. In Cadarache arbeiten heute rund 2000 Personen am Projekt ITER. Für die Bauphase von 2019 bis 2022 rechnet die ITER-Organisation mit gegen 5000 Personen, die dann an der Realisierung des Mamutprojekts dort beteiligt sein werden. Weltweit sind es noch mehr. Das ergibt sich nicht zuletzt aus einer Besonderheit von ITER, die mit dessen Finanzierung zusammenhängt. Gemäss den ITER-Verträge von 2006 übernimmt die EU 45.6 % der anfallenden Kosten des Projekts und damit den Löwenanteil für dessen Realisierung. Auf China Indien, Japan, Südkorea, Russland und die USA fallen jeweils 9.1 %. Bezeichnend für das Gemeinschaftsprojekt ist, dass die Anteile der einzelnen Länder zu 90% in Form von Komponenten, Bauteilen, Systemen und Gebäuden, also in Form von Sachleistungen, erbracht werden, die weltweit produziert und, je nach Bauphase von ITER, «in time» geliefert werden. Die Ziele von ITER sind ambitioniert. Erstmalig in der Geschichte soll aus einer Kernfusion ein «Nettoertrag» an Energie gewonnen werden. Voraussichtlich 2035 möchte man bei einem Input von 50 Megawatt 500 Megawatt erzielen und damit die Machbarkeit der kommerziellen Nutzung der Kernfusion erstmals demonstrieren. Parallel dazu erhofft man sich, durch die Entwicklung und den Betrieb von ITER zahlreiche neue Erkenntnisse zur Kernfusion. Wenn sich das Versuchsprojekt ITER als erfolgreich herausstellen sollte, ist in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts ein weiterer Demonstrationsreaktor geplant, der den Bedingungen eines Leistungsreaktors gerecht wird und rund 30 bis 40 Mal mehr Energie generiert, wie dafür aufgewendet werden muss.
Steiniger Weg bei enormem Potenzial
Auf Latein bedeutet ITER «Weg». Dass dieser zuweilen auch steinig sein kann, zeigt die Entwicklung des Projekts in den vergangenen Jahren. Einerseits musste der Zeithorizont für die Fertigstellung des Projekts verschiedene Male nach oben korrigiert werden und andererseits sprengten die veranschlagten Kosten den anfangs budgetierten Rahmen von ITER bis heute erheblich. Nach einem Zeitplan von 2006 war vorgesehen ITER, bei Gesamtkosten von rund 5 Mia Euro, 2016 in Betrieb zu nehmen. Das stellte sich schnell als illusorisch heraus. Geschuldet war das Fehlern bei der Einschätzung des Zeitplans, erhöhten Materialpreisen, technischen Unvorhersehbarkeiten und vor allem auch der dezentralen Organisationsstruktur des Projekts. Bei internationalen Gemeinschaftsprojekten schadet zu viel Föderalismus zuweilen. Mit dem Antritt von Bernard Bigot, dem ehemaligen Direktor der französischen Atomenergiebehörde im Jahr 2015, als neuem Leiter der ITER-Organisation scheint das Projekt nun aber zügiger voran zu gehen. Aktuell wird geschätzt, dass die Kosten von ITER bis heute rund 15 Mia. Euro betragen haben. Es verwundert daher nicht, dass von politischer Seite in der Vergangenheit auch immer wieder Rufe laut geworden sind ITER zu beenden. Das wäre falsch. Der kommerziell nutzbaren Kernfusion war man noch nie so nahe wie heute und würde es wohl auch nie mehr sein. Als Energiequelle ist die Kernfusion eine sinnvolle Alternative zur Kernspaltung und birgt grosses Potential in sich zur zukünftigen Energieversorgung der Welt einen erheblichen Anteil zu leisten. Einerseits gibt es bei der Kernfusion keine Ressourcenprobleme bezüglich ihrer Ausgangsstoffe und andererseits belasten Fusionskraftwerke die Umwelt nur in sehr geringem Masse, da praktisch keine Brennstoffabfälle anfallen. Und zum dritten wird auch die Gefahr einer unkontrollierten Kettenreaktion, von Experten, als kleiner und wesentlich unproblematischer wie bei der Kernspaltung eingeschätzt. Von den ITER-Mitgliedern, die das Projekt weiterverfolgen, wurden die potentiellen Vorzüge der Kernfusion erkannt. Von der offiziellen Schweiz ebenso.
Die Schweiz und ITER
Im Rahmen ihrer Beiträge an die europäischen Forschungsprogramme beteiligt sich auch die Schweiz seit 2007 indirekt am Projekt ITER. Zuständig dafür ist das Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation (SBFI). Die bis 2014 an ITER entrichteten Leistungen betrugen, gemäss SBFI, 194 Mio. Franken. Als vollwertiges Mitglied der Europäischen Koordinationsstelle von ITER, der Agentur Fusion for Energy verfügt die Schweiz hier über ein uneingeschränktes Mitspracherecht und nimmt damit aktiv Einfluss auf die Entwicklung von ITER. Über verschiedene Abkommen und Verträge ist die Schweiz seit langem mit der EURATOM verbunden und hat sich durch diese internationale Zusammenarbeit in der Vergangenheit Schlüsselkompetenzen im Bereich der Fusionsforschung erarbeiten können. Gemäss Angaben des SBFI hat ITER so der Schweizer Wirtschaft bereits bedeutende Aufträge beschert. Bei einem erfolgreichen Abschluss von ITER wäre der Zugang zu neu gewonnenen Erkenntnissen und Techniken in der Fusionsforschung für die Schweiz gleichfalls gewährleistet.