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Jul 29, 2023

Was ist die Zukunft der Fusionsenergie?

Die Kernfusion wird nicht rechtzeitig eintreffen, um den Klimawandel zu beheben, aber sie könnte es sein

Die Kernfusion wird nicht rechtzeitig eintreffen, um den Klimawandel zu bewältigen, aber sie könnte für unseren zukünftigen Energiebedarf von entscheidender Bedeutung sein

Im vergangenen Dezember verkündeten an der Kernfusion arbeitende Physiker einen Durchbruch. Ein Team der National Ignition Facility (NIF) in Kalifornien gab bekannt, dass es aus einer kontrollierten Kernfusionsreaktion mehr Energie gewonnen habe, als zu deren Auslösung aufgewendet wurde. Es war eine weltweite Premiere und ein bedeutender Schritt für die Physik – aber weit davon entfernt, die praktische Nutzung der Kernfusion als Energiequelle zu ermöglichen. Die hochkarätige Ankündigung löste ein bekanntes Muster an Reaktionen auf die Fusionsforschung aus: Beifall von den Befürwortern der Technologie und Entlassungen von Skeptikern, die sich darüber beschweren, dass Wissenschaftler immer wieder versprechen, dass die Fusion nur noch 20 Jahre entfernt sei (oder 30 oder 50, ganz nach Ihrer Wahl).

Diese heftigen Reaktionen spiegeln den hohen Einsatz für die Fusion wider. Die Welt sucht immer verzweifelter nach einer reichlich vorhandenen Quelle sauberer Energie, die die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe verursachte Klimakrise abmildern kann. Die Kernfusion – die Verschmelzung leichter Atomkerne – hat das Potenzial, Energie mit nahezu null Kohlenstoffemissionen zu erzeugen, ohne den gefährlichen radioaktiven Abfall zu erzeugen, der mit den heutigen Kernspaltungsreaktoren verbunden ist, die die sehr schweren Kerne radioaktiver Elemente spalten. Seit den 1950er-Jahren beschäftigen sich Physiker mit der Fusionsenergie, doch es ist frustrierend schwierig, sie in eine praktische Energiequelle umzuwandeln. Wird es jemals eine bedeutende Energiequelle für unseren energiehungrigen Planeten sein – und wenn ja, wird es rechtzeitig eintreffen, um die Erde vor der Kernschmelze zu bewahren?

Die letztgenannte Frage ist eine der wenigen in diesem Bereich, auf die es eine klare Antwort gibt. Die meisten Experten sind sich einig, dass es unwahrscheinlich ist, dass wir vor etwa 2050 in der Lage sein werden, großtechnische Energie durch Kernfusion zu erzeugen (die Vorsichtigen könnten ein weiteres Jahrzehnt in Anspruch nehmen). Angesichts der Tatsache, dass der globale Temperaturanstieg im laufenden Jahrhundert weitgehend davon abhängt, was wir bis dahin in Bezug auf die Kohlenstoffemissionen tun – oder unterlassen –, kann die Kernfusion kein Heilsbringer sein. (Observatory-Kolumnistin Naomi Oreskes bringt diesen Punkt auch hier zum Ausdruck.) „Ich denke, dass die Fusion als zukünftige Energiequelle heute viel plausibler erscheint als vor zehn Jahren“, sagt Omar Hurricane, Programmleiter am Lawrence Livermore National Laboratory, wo das NIF untergebracht ist. „Aber es wird in den nächsten 10 bis 20 Jahren nicht realisierbar sein, also brauchen wir andere Lösungen.“

Die Dekarbonisierung bis Mitte des Jahrhunderts wird daher von anderen Technologien abhängen: erneuerbaren Energien wie Sonne und Wind; Kernspaltung; und vielleicht Techniken zur Kohlenstoffabscheidung. Wenn wir jedoch weiter in die Zukunft blicken, gibt es gute Gründe zu der Annahme, dass die Fusion in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts ein zentraler Bestandteil der Energiewirtschaft sein wird, wenn mehr Entwicklungsländer beginnen werden, Energiebudgets westlicher Größe zu benötigen. Und die Lösung des Problems des Klimawandels ist keine einmalige Angelegenheit. Wenn wir den Engpass der nächsten Jahrzehnte überwinden können, ohne das Klima allzu radikal zu verändern, könnte der Weg danach glatter verlaufen.

Die Kernfusion wurde fast schon bald als potenzielle Energiequelle erkannt, als es die Kernspaltung gab. In einer Nachbesprechung des Manhattan-Projekts Ende 1945 stellte sich der italienische Physiker Enrico Fermi, der das Projekt zum Bau des ersten Spaltreaktors in Chicago während des Zweiten Weltkriegs leitete, Fusionsreaktoren zur Stromerzeugung vor. Einige Jahre später fanden Wissenschaftler heraus, wie man Fusionsenergie freisetzen kann, allerdings nur durch unkontrollierte, Harmagedon-artige Explosionen von Wasserstoffbomben. Sobald wir gelernt hätten, den Prozess kontrolliert und nachhaltig durchzuführen, sagten einige Wissenschaftler voraus, dass Strom „zu billig für die Messung“ werden würde.

Doch die Herausforderungen erwiesen sich als viel größer als erwartet. „Es ist superhart“, sagt Hurricane. „Im Grunde erschaffen wir Sterne auf der Erde.“ Die Verschmelzung zweier Wasserstoffatome zu Helium ist der Hauptprozess, der die Sonne und andere Sterne antreibt. Wenn sich solche leichten Atomkerne verbinden, setzen sie eine immense Energiemenge frei. Da diese Kerne jedoch positive elektrische Ladungen haben, stoßen sie sich gegenseitig ab und es sind enorme Drücke und Temperaturen erforderlich, um diese elektrostatische Barriere zu überwinden und sie zu verschmelzen. Wenn Wissenschaftler den Brennstoff für die Fusion – eine Plasmamischung aus Deuterium und Tritium, zwei schweren Wasserstoffisotopen – in sich bergen können, kann die bei der Reaktion freigesetzte Energie sie selbsterhaltend machen. Aber wie füllt man ein Plasma mit einer Temperatur von rund 100 Millionen Kelvin ab, die um ein Vielfaches heißer ist als der Mittelpunkt der Sonne?

Kein bekanntes Material kann solch extremen Bedingungen standhalten; Sie würden selbst extrem hitzebeständige Metalle wie Wolfram im Handumdrehen schmelzen. Die seit langem bevorzugte Lösung für das Reaktordesign ist der magnetische Einschluss: Das elektrisch geladene Plasma wird in einer „Magnetflasche“ gehalten, die durch starke Magnetfelder gebildet wird, sodass es niemals die Wände der Fusionskammer berührt. Das beliebteste Design, Tokamak genannt und in den 1950er Jahren von sowjetischen Wissenschaftlern vorgeschlagen, verwendet einen ringförmigen (oder donutförmigen) Behälter.

Der Prozess erfordert eine hervorragende Kontrolle. Das rasend heiße Plasma bleibt nicht stehen: Es neigt dazu, große Temperaturgradienten zu entwickeln, die starke Konvektionsströme erzeugen, die das Plasma turbulent und schwer zu kontrollieren machen. Solche Instabilitäten, vergleichbar mit Miniatur-Sonneneruptionen, können dazu führen, dass das Plasma mit den Wänden in Kontakt kommt und diese beschädigt. Andere Plasmainstabilitäten können Strahlen hochenergetischer Elektronen erzeugen, die Löcher in die Hülle der Reaktionskammer bohren. Die Unterdrückung oder Bewältigung dieser Schwankungen war eine der größten Herausforderungen für Tokamak-Designer. „Der große Erfolg der letzten zehn Jahre bestand darin, diese Turbulenzen im quantitativen Detail zu verstehen“, sagt Steven Cowley, der das Princeton Plasma Physics Laboratory leitet.

Eines der größten Hindernisse für die Fusion mit magnetischem Einschluss ist der Bedarf an Materialien, die der harten Behandlung durch das Fusionsplasma standhalten. Insbesondere die Deuterium-Tritium-Fusion erzeugt einen intensiven Strom hochenergetischer Neutronen, die mit den Atomkernen in den Metallwänden und -umhüllungen kollidieren und winzige Schmelzpunkte verursachen. Das Metall kristallisiert dann um, wird jedoch geschwächt, wobei die Atome aus ihren ursprünglichen Positionen verschoben werden. In der Hülle eines typischen Fusionsreaktors kann jedes Atom im Laufe der Lebensdauer des Reaktors etwa 100 Mal verschoben werden.

Die Folgen eines derart intensiven Neutronenbeschusses sind nicht genau bekannt, da die Fusion nie über die langen Zeiträume aufrechterhalten werden konnte, die in einem funktionierenden Reaktor erforderlich wären. „Über den Materialabbau und die Lebensdauer wissen wir nichts und werden es auch nicht wissen, bis wir ein Kraftwerk in Betrieb genommen haben“, sagt Ian Chapman, CEO der UK Atomic Energy Authority (UKAEA), der Kernenergieorganisation der britischen Regierung. Dennoch könnten wichtige Erkenntnisse zu diesen Abbauproblemen aus einem einfachen Experiment gewonnen werden, das intensive Neutronenstrahlen erzeugt, die zum Testen von Materialien verwendet werden können. Eine solche Anlage – ein auf Teilchenbeschleunigern basierendes Projekt mit dem Namen International Fusion Materials Irradiation Facility – Demo Oriented Neutron Source – soll Anfang der 2030er Jahre in Granada, Spanien, ihren Betrieb aufnehmen. Eine ähnliche US-Anlage namens Fusion Prototypic Neutron Source wurde vorgeschlagen, hat aber noch keine Genehmigung.

Es gibt immer noch keine Garantie dafür, dass diese materiellen Probleme gelöst werden können. Sollten sie sich als unüberwindbar erweisen, besteht eine Alternative darin, die Reaktorwände aus flüssigem Metall herzustellen, das durch Schmelzen und Rekristallisieren nicht beschädigt werden kann. Aber das bringt laut Cowley eine ganze Reihe anderer technischer Bedenken mit sich.

Eine weitere große Herausforderung ist die Herstellung des Fusionsbrennstoffs. Auf der Welt gibt es reichlich Deuterium: Dieses Isotop macht 0,016 Prozent des natürlichen Wasserstoffs aus, sodass die Meere buchstäblich davon überschwemmt sind. Allerdings kommt Tritium auf natürliche Weise nur in geringen Mengen vor und zerfällt radioaktiv mit einer Halbwertszeit von nur 12 Jahren, sodass es ständig verschwindet und neu hergestellt werden muss. Im Prinzip kann es aus Fusionsreaktionen „gezüchtet“ werden, da die Fusionsneutronen mit Lithium reagieren, um es herzustellen. Die meisten Reaktordesigns berücksichtigen diesen Züchtungsprozess, indem sie die Reaktorkammer mit einer Lithiumschicht umgeben. Dennoch ist die Technologie im großen Maßstab noch nicht erprobt und niemand weiß wirklich, ob und wie gut die Produktion und Gewinnung von Tritium funktionieren wird.

Das größte Fusionsprojekt der Welt, ITER (lateinisch für „der Weg“ und ursprünglich ein Akronym für „International Thermonuclear Experimental Reactor“) in Südfrankreich, wird einen massiven Tokamak mit einem Plasmaradius von 6,2 Metern nutzen; die gesamte Maschine wird 23.000 Tonnen wiegen. Wenn alles nach Plan läuft, wird ITER – unterstützt von der Europäischen Union, dem Vereinigten Königreich, China, Indien, Japan, Südkorea, Russland und den USA – der erste Fusionsreaktor sein, der eine kontinuierliche Energieproduktion im Maßstab eines Kraftwerks demonstriert ( etwa 500 Megawatt oder MW). Der Bau begann im Jahr 2007. Die anfängliche Hoffnung bestand darin, dass in der Fusionskammer bis etwa 2020 Plasmen erzeugt werden würden, doch ITER musste wiederholt Verzögerungen hinnehmen, während sich die geschätzten Kosten von 5,45 Milliarden US-Dollar vervierfachten. Im vergangenen Januar kündigten die Projektleiter einen weiteren Rückschlag an: Der geplante Betriebsbeginn im Jahr 2035 könnte sich auf die 2040er Jahre verschieben. ITER wird keinen kommerziellen Strom produzieren – wie der Name schon sagt, handelt es sich ausschließlich um eine Versuchsmaschine, die technische Probleme lösen und den Weg für realisierbare Kraftwerke ebnen soll.

Dieser erneute Stillstand dessen, was manche als schwerfälliges Ungetüm ohne Erfolgsgarantie betrachten, löste einen weiteren Anfall von Fusionsskepsis aus. Aber mit solchen Problemen sei zu rechnen, sagt Hurricane. „ITER wird oft in Mitleidenschaft gezogen, aber wir müssen ihnen eine Pause gönnen und sie die Probleme lösen lassen“, sagt er.

Chapman stimmt zu. „Es war sehr vorhersehbar, dass es Probleme geben würde, sowohl politisch als auch technisch“, sagt er. „Das Projekt leistet Erstaunliches, einschließlich der Einrichtung von Lieferketten, die es vorher nicht gab.“ Die Verzögerung sei enttäuschend, gibt er zu, „aber ich glaube nicht, dass wir im Rückblick auf ITER denken werden, dass es ein Fehler war. Wir werden denken, dass es wirklich wichtig für die Entstehung der Kernfusion war. Ich bin überzeugt, dass es funktionieren wird.“ ."

Tokamaks für Kraftwerke müssen wahrscheinlich nicht so gigantisch und schon gar nicht so teuer sein wie ITER. In letzter Zeit besteht ein zunehmendes Interesse an kleineren Geräten mit einer eher kugelförmigen Form, wie einem entkernten Apfel. Eine davon, Spherical Tokamak for Energy Production (STEP), wird von der UKAEA als Pilotanlage geplant, die parallel zu ITER entwickelt werden soll.

Das sphärische Designkonzept wurde erfolgreich mit einem Gerät namens Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) getestet, das von 1999 bis 2013 unter der Aufsicht der UKAEA und der Europäischen Atomenergiegemeinschaft (Euratom) in Betrieb war. Diese kleineren Maschinen haben eine höhere Energiedichte und damit ein größeres Risiko von Hitzeschäden, insbesondere durch die Absaugung heißer abgebrannter Brennelemente im „Abgas“-System. Eine verbesserte Version – MAST Upgrade – wurde 2020 eingeführt und konnte Wärme etwa 20-mal effizienter ableiten als das Original. „Das ebnet wirklich den Weg zur Konzeption eines kompakten Kraftwerks“, sagt Chapman.

Betreten Sie STEP, das genau das sein soll: eine Prototypenanlage, die Nettostrom produziert. Es befindet sich noch in der Konzeptionsphase, aber die britische Regierung hat bereits Schritte unternommen, um maßgeschneiderte Vorschriften für das Projekt zu schaffen – das weltweit erste für Kernfusion –, das die Notwendigkeit einer konventionellen Nuklearlizenz überflüssig macht. Im vergangenen Oktober wählten die Verantwortlichen einen Standort aus: ein Kohlekraftwerk im Norden Englands, das im März seinen Betrieb einstellte und Anfang 2024 abgerissen werden soll. Der Standort verfügt bereits über eine Kühlwasserversorgung und Anschlüsse an das nationale Strom- und Eisenbahnsystem.

Die EU plant eine eigene Prototypenanlage namens DEMOnstration Power Plant (DEMO), die vom EUROfusion-Konsortium verwaltet wird. Das Projekt war ursprünglich als 500-MW-Anlage geplant, doch im vergangenen Jahr veranlassten technische Unsicherheiten aufgrund der ITER-Verzögerungen das Konsortium dazu, das Ziel auf rund 200 MW zu reduzieren. Der Bau könnte Anfang der 2040er Jahre beginnen, sagt Tony Donné, Programmmanager von EUROfusion. „Ich bin überzeugt, dass wir ein solches Gerät in 10 Jahren bauen können.“

Donné fügt hinzu, dass es in Südkorea, Japan und China gleichwertige „Sprungbrett“-Projekte für Fusionsanlagen gibt; Die USA planten ein kleineres Gerät namens Fusion Nuclear Science Facility. „China ist etwas spät auf die Party gekommen, investiert aber jetzt stark und baut seine Arbeitskräfte schnell auf“, sagt Chapman. „Es holt definitiv mit dem auf, was in Europa und den USA bereits existiert.“ Donné glaubt, dass ein freundlicher Wettbewerb – eine Art „Mondrennen“ um den ersten Prototyp einer Fusionsanlage – von Vorteil sein könnte, solange die Länder weiterhin Informationen austauschen.

Dabei geht es nicht nur um große nationale und internationale Projekte. Kleine kugelförmige Tokamaks sind eine der Technologien, die die Kernfusion für Privatunternehmen zugänglich gemacht haben. Weltweit sind mehrere Dutzend Fusions-Start-ups entstanden, darunter Commonwealth Fusion Systems (CFS) in Massachusetts, General Fusion in Kanada und Tokamak Energy im Vereinigten Königreich

General Fusion hat mit Unterstützung der UKAEA gerade mit dem Bau einer Demonstrationsanlage begonnen, die (ehrgeizig) bis 2025 in Betrieb gehen soll. Laut dem ehemaligen CEO des Unternehmens, Christofer Mowry, wird es „die erste kraftwerksrelevante Großanlage“ sein. Maßstabsdemonstration.“ Unterdessen baut CFS in Zusammenarbeit mit dem Plasma Science and Fusion Center (PSFC) des Massachusetts Institute of Technology und anderen an einem Prototypengerät namens SPARC, dessen Fertigstellung ebenfalls im Jahr 2025 geplant ist. SPARC wird ein mittelgroßer Tokamak sein, in dem sich das Plasma befindet eng eingeschlossen durch sehr intensive Magnetfelder, die von neuen supraleitenden Hochtemperaturmagneten erzeugt werden, die am MIT entwickelt und 2021 vorgestellt wurden. Solche Magnete wurden als bedeutender Schritt für die Fusion mit magnetischem Einschluss gefeiert, da die Leistungsdichte im Plasma mit der Stärke des Plasmas schnell zunimmt Magnetfeld steigt.

Ziel des SPARC-Teams ist es, dem Plasma Nettoenergie zu entziehen (etwa zehnmal mehr Energie nach außen als nach innen) und eine Fusionsleistung von 50 bis 140 MW zu erzeugen. Obwohl SPARC viel kleiner ist als ITER, sagt PSFC-Direktor Dennis Whyte, seine Mission sei ähnlich: die wissenschaftlichen und technologischen Probleme zu lösen, die einer Kommerzialisierung im Wege stehen. Es wird keine Energie in das Netz einspeisen, aber es soll den Weg für das „erschwingliche, robuste, kompakte“ Fusionsreaktorkonzept ebnen, das am MIT entwickelt und von CFS verfolgt wird, das Cowley als „das bisher einflussreichste Unternehmen“ ansieht.

Cowley begrüßt solche Projekte, warnt jedoch davor, sie als Abkürzung für die Verwirklichung der Fusion zu einer realistischen Energiequelle zu sehen. „Wir sehen, dass diese Start-up-Unternehmen mit viel Enthusiasmus an den Start gehen und sich stark auf einen bestimmten Teil des Problems konzentrieren“, sagt er. Es ist höchst unwahrscheinlich, dass eines von ihnen die Fusionsenergie vor den großen Geschützen kommerziell nutzen wird, und viele werden einfach aufgeben – wie es einige Start-ups immer tun. Aber Chapman glaubt, dass andere zu wertvollen Lieferanten von Fachwissen und Spezialkomponenten wie Magneten werden. „Die meisten kleinen Fusionsunternehmen werden am Ende Teil der Lieferkette sein“, sagt er.

Aufbauten für die Fusion mit magnetischem Einschluss sind nicht unbedingt auf Tokamaks beschränkt. In den 1950er-Jahren argumentierte der Astrophysiker Lyman Spitzer, dass Plasma in einer Donut-Kammer mit einer gewundenen Tunnelwand wirksamer zurückgehalten werden könnte. Mit dieser Konfiguration könnte das Gerät das Plasma unter Kontrolle halten, indem es die Magnetfelder nutzt, die durch Strömungen im geladenen Plasma selbst erzeugt werden.

Die komplexere Geometrie dieses als Stellarator bezeichneten Entwurfs ist schwierig zu konstruieren, wird aber in einigen Projekten verfolgt. Ein bemerkenswertes Beispiel ist der Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald, Deutschland, der 2015 fertiggestellt wurde und nach einer dreijährigen Modernisierung nun wieder in Betrieb ist. „Ein Stellarator hat einige Vorteile, aber technisch gesehen ist es ein komplizierteres Gerät“, sagt Donné. „In Europa arbeiten wir am Stellarator als Ersatz für den Tokamak.“ Die Technologie befindet sich noch in einem relativ frühen Stadium. Sollte sich also herausstellen, dass diese Unterstützung unerlässlich ist, wird sich der Zeitrahmen für die praktische Fusion wahrscheinlich noch einmal verschieben.

Die Strategie des NIF ist völlig anders als bei all diesen Projekten. Anstatt eine große Menge Plasma zu verwenden, das durch Magnetfelder begrenzt wird, zündet das NIF-Experiment ein winziges Target aus Deuterium und Tritium. In diesem Fall wird das Fusionsplasma durch seine eigene Trägheit nur kurzzeitig an Ort und Stelle gehalten, nachdem das Experiment die Fusion auslöst, indem der Brennstoff abrupt zusammengedrückt und intensiv erhitzt wird – ein Schema, das als Trägheitseinschlussfusion bezeichnet wird. Das NIF erzeugt diese extremen Bedingungen, indem es sehr intensive Laserstrahlen auf die pelletförmigen Ziele fokussiert. Die Fusionsenergie wird in einem kurzen Stoß freigesetzt, bevor sich das heiße Plasma ausdehnt. Diese Art der Energieerzeugung würde also in Impulsen erfolgen und die Brennstoffkapseln müssten ständig nacheinander in die Reaktionskammer bewegt werden, um dort gezündet zu werden. Die meisten Forscher schätzen, dass die Kapseln etwa zehnmal pro Sekunde ausgetauscht werden müssten, damit der Ansatz praktikabel sei.

Die Herausforderungen für die Inertial-Confinement-Fusion sind gewaltig, und derzeit untersuchen nur wenige Einrichtungen auf der Welt sie. Neben dem NIF, dem größten, gibt es die Megajoule-Laseranlage in Frankreich und die Shenguang-III-Laseranlage in China; Auch Russland verfolgt möglicherweise diesen Ansatz, die Einzelheiten sind jedoch schwer zu ermitteln. Die Energieerzeugung ist eigentlich kein Hauptbestandteil der NIF-Mission; Die Anlage war hauptsächlich dazu gedacht, nukleare Reaktionen auszulösen, um die US-Atomwaffenvorräte zu untersuchen und zu unterhalten. „Die Hauptarbeit am NIF wurde vollständig vom nationalen Sicherheitsapparat der USA finanziert“, sagt Hurricane. „Es handelt sich nicht um einen Fusionsreaktor und es ist nicht dazu gedacht, die Fusionsenergie im praktischen Sinne zu demonstrieren.“

Es liegt noch viel Arbeit vor uns, um die Fusion mit Trägheitseinschluss zu einem echten Kandidaten für die Energieversorgung zu machen. „Die Arbeit hat sich auf die Grundlagenforschung konzentriert, und wir haben nicht so viel Aufwand in die unterstützenden Technologien gesteckt, die für ein Kraftwerk erforderlich sind“, sagt Tammy Ma, die die Initiative für Trägheitsfusionsenergie des NIF leitet.

Wie nah ist die praktische Fusionsenergie angesichts dieser vielfältigen Landschaft an Fusionsprojekten wirklich? Chapman ist unverblümt: „Es gibt derzeit kein einziges Projekt zum Bau eines Fusionskraftwerks, das Energie produzieren wird.“

Und der Bau echter Kraftwerke – also solcher, die nicht nur Prototypen sind – dauert etwa ein Jahrzehnt. „Die Experimente machen Fortschritte, und die Fortschritte sind beeindruckend“, sagt Chapman, „aber die Fusion wird in ein paar Jahren nicht mehr funktionieren.“ Donné ist noch unverblümter: „Jeder, der mir sagt, dass er in fünf oder zehn Jahren einen funktionierenden zukünftigen Reaktor haben wird, ist entweder völlig ignorant oder ein Lügner.“

Die Vorhersage des Zeitpunkts der Fusionsenergie war schon immer ein riskantes Unterfangen, doch die Experten sind sich inzwischen größtenteils über den ungefähren Zeitrahmen einig. „Angenommen, wir bekommen eine Pilotanlage, die bis Ende der 2030er Jahre funktioniert, obwohl das noch einiges bedeuten würde“, sagt Cowley. Es ist unwahrscheinlich, dass eine solche Anlage eine Blaupause für die Kommerzialisierung darstellt, und daher sagt er: „Ich denke, von der Pilotanlage bis zum ersten kommerziellen Reaktor würde es noch etwa zehn Jahre dauern.“ Chapman stimmt zu, dass Fusionskraftwerke etwa im Jahr 2050 Strom ins Netz einspeisen könnten und dann in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts, insbesondere nach 2060, stetig an Bedeutung für die Energiewirtschaft gewinnen könnten.

Fusionskraftwerke dürften mit einer Leistung von einigen Gigawatt ungefähr die gleiche Größenordnung haben wie heutige Kraftwerke für fossile Brennstoffe oder Kernspaltung. Das bedeutet, dass sie an denselben Standorten errichtet werden könnten, Gleiches durch Gleiches ersetzen und die gesamte erforderliche Stromnetzinfrastruktur bereits vorhanden wäre. „Man könnte sagen, dass die Kernfusion sehr einfach anzuschließen ist und entweder fossile Brennstoffe oder Kernspaltung ersetzen kann“, sagt Donné. „Das kann ein sehr sanfter Übergang sein.“ Er geht davon aus, dass Fusionskraftwerke zunächst die noch aktiven Kohlekraftwerke, dann Öl und Gas und schließlich die Kernspaltung ersetzen werden.

Auch wenn uns die Kernfusion nicht vor der unmittelbaren Klimakrise retten kann, könnte sie auf lange Sicht die beste Option sein, unseren Energiebedarf zu decken, ohne den Planeten zu zerstören. Der sowjetische Fusionsvisionär Lew Artsimowitsch, der „Vater des Tokamak“, sagte einmal, dass die Welt eine Kernfusion haben wird, wenn sie entscheidet, dass sie sie braucht. „Wenn wir erkennen, was für eine existenzielle Bedrohung der Klimawandel sein wird, wird sich die Umsetzung der Kernfusion enorm beschleunigen“, sagt Chapman und zieht eine Analogie zur schnellen Entwicklung von COVID-19-Impfstoffen. Im Moment haben wir einfach keine andere langfristige Möglichkeit, Netto-CO2-Emissionen von Null zu erreichen, insbesondere weil sich der weltweite Energiebedarf zwischen 2050 und 2100 voraussichtlich verdreifachen wird. „Fusion ist unerlässlich“, um diesen Bedarf zu decken, sagt Chapman. „Ich kann mir nicht vorstellen, was es sonst noch sein wird.“ Erneuerbare Energien wie Wind- und Solarenergie spielen definitiv eine Rolle, sagt Donné, aber sie werden wahrscheinlich nicht ausreichen.

Der Aufbau einer neuen Art von Energieinfrastruktur von Grund auf birgt sowohl Chancen als auch Herausforderungen. Die Planer der Kernspaltung haben einige schwerwiegende Fehler in Bezug auf Design und Öffentlichkeitsarbeit gemacht, aber jetzt hat die aufstrebende Fusionsindustrie die Chance, aus diesen Fehlern zu lernen und es besser zu machen – nicht zuletzt, indem sie über Fragen der Energiegleichheit und -gerechtigkeit nachdenkt. „Wenn wir diese Anlagen haben, wo platzieren wir sie, damit wir eine saubere Energiequelle für alle Arten von Gemeinden bereitstellen können?“ fragt Ma vom NIF. „Wie bauen wir eine vielfältige Belegschaft auf? Wie stellen wir sicher, dass wir beim Aufbau dieser Branche die Menschen für die Fähigkeiten der Zukunft ausbilden? Diesmal können wir zumindest versuchen, es richtig zu machen.“ "

Dieser Artikel wurde ursprünglich mit dem Titel „Star Power“ in Scientific American 328, 6, 28-35 (Juni 2023) veröffentlicht.

doi:10.1038/scientificamerican0623-28

Philip Ball ist ein in London lebender Wissenschaftsjournalist. Sein nächstes Buch, How Life Works (University of Chicago Press), erscheint im Herbst 2023. Bildnachweis: Nick Higgins

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