Fusionsforschung – eine internationale Unternehmung

Beitrag von Prof. Dr. Tony Donné, ehemaliger CEO EUROfusion, Garching

Europa
Die meisten ITER-Mitglieder arbeiten bereits an der konzeptionellen Auslegung der nächsten Stufe zur Demonstration der Elektrizität aus Fusionsenergie. EUROfusion koordiniert in Europa den konzeptionellen Entwurf des Demonstrationsreaktors (DEMO) mit dem Ziel einer Tokamak-Anlage, die 300 bis 450 MW Strom in Pulsen von mehr als 2 Stunden erzeugen kann. Schutzmaßnahmen für die internen Komponenten erfordern eine relativ große Maschine mit einem grossen Radius von 8,4 m und einem Aspektverhältnis von 2,8 sowie einem Magnetfeld von etwa 4,5 T. Größere Tokamaks mit moderatem Magnetfeld haben den Vorteil, dass die Neutronenbelastung der Wände und die Plasmabelastung der Wände viel geringer ist als in kleinen Hochfeld-Tokamaks und daher leichter zu bewältigen ist. Die frühzeitige Einbindung der Industrie in die Anlagenkonzeption ist eine Lehre aus ITER, um die Herstellbarkeit aller Komponenten zu gewährleisten. Das Vereinigte Königreich hat die UK Industrial Fusion Solutions Ltd (UKIFS) gegründet, um seinen Prototyp einer Fusionsenergieanlage namens STEP (Spherical Tokamak for Energy Production) zu entwickeln, der voraussichtlich 2040 in Betrieb gehen soll. UKIFS arbeitet mit der UKAEA und zwei Industriepartnern oder Unternehmenskonsortien zusammen, um die britische Industrie zu stärken und zukünftige Fusionskraftwerke zu ermöglichen. Die UKAEA hat in große und moderne Labore für Fernwartung, Tritiumbehandlung, Werkstoffe, Brutzellen und Fusionstechnologien investiert. Die genauen Parameter und die Stromerzeugung von STEP werden derzeit noch festgelegt, was Vergleiche mit anderen Entwicklungen erschwert.

Asien
China betreibt ein aggressives Fusionsprogramm, das derzeit den Bau von BEST (Burning Plasma Experimental Superconducting Tokamak) in Hefei umfasst. BEST untersucht verbesserte DT-Plasmen im stationären Zustand bei Q>1 und die Physik brennender Plasmen mit Q>5 in kurzen Pulsen. Zusätzlich werden DEMO-relevante Schlüsseltechnologien für Materialien, Blanket und Brennstoffinventar getestet. Die Anlage mit einem großen und kleinen Plasmaradius von 3,6 m bzw. 1,1 m soll Ende 2027 in Betrieb gehen. Die Ergebnisse von BEST fließen in den Entwurf des China Fusion Experimental Test Reactor (CFETR – Abb. 2) ein, der um 2040 in Betrieb genommen werden soll. Der CFETR ähnelt dem europäischen DEMO, ist jedoch etwas kleiner (großer und kleiner Radius 7,2 m / 2,2 m) mit einem Magnetfeld von 6,5 T auf der Achse. Die vorgesehene Fusionsleistung beträgt bis zu 2 GW, und der CFETR soll bis zu 800 MW elektrische Leistung erzeugen. Japan und Korea haben Programme, die einen Demonstrationsreaktor im Anschluss an ITER vorsehen. Obwohl sich die Programme in Einzelheiten von den europäischen DEMO- und CFETR-Programmen unterscheiden, kann man mit Fug und Recht behaupten, dass die Gesamtkonzeptionen des JA-DEMO und des K-DEMO recht ähnlich sind. Korea hat bereits ein Grundstück für den K-DEMOReaktor reserviert. Japan hat vor kurzem ein so genanntes „Moonshot“-Programm verabschiedet, um den JA-DEMO zu entwickeln.

USA
Die Entwicklung von Fusionskraftwerken in den USA hat sich stark auf private Initiativen erweitert, wobei über die Hälfte der der ‚Fusion Industry Association‘ zugehörigen Unternehmen im Land ansässig sind. Die größte private Initiative, Commonwealth Fusion Systems (CFS), hat 1,8 Mrd. $ für den Bau des SPARC-Tokamaks aufgebracht, der 50–100 MW Fusionsleistung mit einem Q>10 erzeugen soll. SPARC, ein kleiner Tokamak mit einem großen und kleinen Plasmaradius von 1,85 m bzw. 0,57 m und einem Magnetfeld von 12,2 T zielt darauf ab, vor ITER einen Nettoenergiegewinn zu erzielen. Alle privaten Unternehmen und auch die nationalen Laboratorien haben ihre Ansätze, und die Regierung verteilt ihr Budget auf all diese Initiativen in der Hoffnung, dass eine von ihnen Erfolg haben wird.