Teil 3 von 4: Die Bauteile einer Revolution – und wer sie bremst

Zur Reihe: Teil 2 von 4: Was brennt da eigentlich – und warum nicht längst? · Teil 4 von 4: 5 Milliarden für die Ewigkeit – oder 38 Milliarden Barrel für 40 Jahre

In Teil 2 haben wir das Plasma und den Stellarator betrachtet. Jetzt kommt der weniger elegante Teil der Geschichte: die Bauteile.

Ein Fusionskraftwerk besteht nicht aus einem glänzenden Reaktor, den man nur groß genug bauen muss. Es besteht aus Magneten, Materialien, Kühlkreisläufen, Brennstoffsystemen, Wartungstechnik und einer langen Reihe von Schnittstellen. Jede einzelne muss funktionieren. Viele müssen gleichzeitig funktionieren.

Die Frage ist deshalb nicht mehr nur, ob ein Plasma eingeschlossen werden kann. Die Frage lautet: Wie baut man daraus eine Anlage, die Jahrzehnte lang sicher, wartbar und wirtschaftlich betrieben werden kann?

1. HTS-Magnete: der Gamechanger mit Lieferproblem

Magnetspulen halten das Plasma von der Wand fern. Wendelstein 7-X nutzt Tieftemperatur-Supraleiter aus Niob-Titan, die mit flüssigem Helium auf ungefähr minus 269 Grad Celsius gekühlt werden. Künftige kompakte Konzepte setzen zunehmend auf Hochtemperatur-Supraleiter, kurz HTS, insbesondere REBCO-Bänder.

REBCO steht für eine Gruppe seltenerd-dotierter Barium-Kupfer-Oxide. Die Bänder sind schmal und dünn, können bei weniger extremen Temperaturen arbeiten und erlauben sehr starke Magnetfelder. Stärkere Felder können einen Reaktor kleiner machen. Das ist der Grund, warum HTS in der Fusionsbranche als Gamechanger gilt.

Die Grundtechnologie funktioniert. Commonwealth Fusion Systems testete 2021 einen HTS-Magneten mit einem Feld von 20 Tesla. Proxima Fusion plant für 2027 eine Demonstrationsspule für einen Stellarator. Die ARPA-E nennt allerdings eine erhebliche Kostendifferenz: kommerzielle REBCO-Leiter liegen heute in der Größenordnung von 300 Dollar pro Kiloampere-Meter; für wirtschaftliche Fusionsanlagen müsste der Preis deutlich sinken.

Auch die Menge ist ein Problem. Die Industrie produziert heute nicht annähernd genug HTS-Band für eine große Zahl von Reaktoren. Ein einzelnes Kraftwerk würde – abhängig vom Design – einen erheblichen Teil der Jahresproduktion benötigen. Das ist keine normale Beschaffungsschwierigkeit. Es ist eine neue industrielle Abhängigkeit.

Die Konsequenz liegt auf der Hand: Europa braucht nicht nur Forschung an HTS. Es braucht Fertigungskapazität. Eine Pilotfabrik im industriellen Maßstab könnte nach grober Einschätzung mehrere hundert Millionen bis etwa eine Milliarde Euro kosten. Das ist eine Szenariozahl, keine belastbare Ausschreibung. Aber selbst die Größenordnung zeigt, dass „wir skalieren später“ kein Plan ist.

2. Materialforschung: die Wand, die alles aushalten muss

Die erste Wand eines Fusionsreaktors bekommt gleichzeitig Hitze, Teilchen und Neutronen ab. Fusionsneutronen haben eine Energie von ungefähr 14 Megaelektronenvolt. Sie können Materialien auf atomarer Ebene schädigen: Versprödung, Aufschwellung und Kriechen sind keine theoretischen Schönheitsfehler, sondern mögliche Gründe für Austausch und Stillstand.

Wolfram ist wegen seines hohen Schmelzpunkts ein wichtiger Kandidat für besonders belastete Bereiche. Es ist aber schwer zu bearbeiten und nicht automatisch langlebig. Das Karlsruher Institut für Technologie arbeitet unter anderem an niedrig aktivierenden Stählen wie EUROFER. Das Forschungszentrum Jülich entwickelt Wolframverbundwerkstoffe. Fraunhofer-Institute untersuchen additive Fertigung und Beschichtungen.

Das eigentliche Problem liegt vor der Materialauswahl: Es fehlen lange und realistische Tests mit Fusionsneutronen. Viele Proben verhalten sich in Simulationen und unter Teilchenstrahlen plausibel. Ein Kraftwerk braucht aber Daten darüber, was nach Jahren der Belastung geschieht.

Dafür ist IFMIF-DONES in Granada vorgesehen. Die Anlage soll mit einem Teilchenbeschleuniger eine Neutronenumgebung erzeugen, die für Fusionsmaterialien aussagekräftiger ist als herkömmliche Testquellen. Bis belastbare Ergebnisse vorliegen, vergeht Zeit. Wer ein Kraftwerk vor dieser Datenbasis bauen will, geht ein kalkuliertes Risiko ein.

Das kann politisch sinnvoll sein. Es sollte nur so genannt werden. „Mutig“ ist nicht immer eine technische Kategorie. Manchmal ist es die freundliche Bezeichnung für „noch nicht ausreichend getestet“.

3. Das Tritium-Brutblanket: das größte Einzelrisiko

Ein Fusionsplasma mit Deuterium und Tritium verbraucht Tritium. Weltweit gibt es davon nur sehr begrenzte zivile Vorräte. Die ITER-Übersicht macht klar, dass Tritium für den Start und den Betrieb eines Fusionsprogramms ein Engpass ist.

Deshalb muss die Reaktorwand mehr können, als Wärme abzuführen. Das Blanket soll die Fusionsneutronen aufnehmen und mit Lithium neues Tritium erzeugen. Am Ende muss der Reaktor einen geschlossenen Kreislauf erreichen – mit genug Überschuss für Verluste, Wartung und den Start weiterer Anlagen.

Im europäischen Programm werden vor allem zwei Konzepte untersucht.

Das WCLL-Konzept nutzt flüssiges Blei-Lithium als Brutstoff und Wasser als Kühlmittel. Wasserkühlung ist aus anderen Kraftwerken bekannt. Die elektromagnetische Wechselwirkung des flüssigen Metalls mit dem Magnetfeld macht die Auslegung allerdings anspruchsvoll.

Das HCPB-Konzept nutzt Lithiumkeramik in Form von Kügelchen und Helium als Kühlmittel. Es verspricht in Simulationen hohe Brutraten, muss aber mit einem festen Brutmaterial umgehen, das nicht einfach während des laufenden Betriebs ausgetauscht wird.

Ein Blanket in einem Stellarator ist zusätzlich dreidimensional geformt. Die komplizierte Geometrie, die dem Stellarator beim Plasma hilft, macht den Zugang, die Kühlung und die gleichmäßige Tritiumproduktion schwieriger.

Der entscheidende Satz lautet: Noch hat niemand in einem Fusionskraftwerk experimentell bewiesen, dass der gesamte Tritiumkreislauf funktioniert. Komponenten existieren. Simulationen existieren. Ein Kraftwerksnachweis existiert nicht.

ITER soll mit Test Blanket Modules erste Erfahrungen unter realen Fusionsbedingungen liefern. Nach der neuen ITER-Baseline ist der Betrieb mit Deuterium und Tritium jedoch erst für 2039 vorgesehen. Das bedeutet: Ein kommerzielles Stellarator-Konzept, das Ende der 2030er-Jahre starten will, muss beim Blanket teilweise auf Simulationen und Vorversuche vertrauen.

Das ist der größte technische Vorbehalt gegenüber allzu glatten Zeitplänen.

4. Externes Tritium: die Uhr läuft

Selbst ein funktionierendes Blanket hilft beim ersten Start nicht. Jeder neue Reaktor braucht zunächst Tritium von außen. Heute stammt ein großer Teil der zivilen Versorgung aus kanadischen Schwerwasserreaktoren. Die Mengen sind klein, die Reaktoren altern, und Tritium zerfällt mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren.

Eine Fusionsindustrie kann sich deshalb nicht darauf verlassen, dass ein paar bestehende Anlagen die Übergangszeit irgendwie überbrücken. Es braucht zusätzliche Produktionswege. Untersucht werden unter anderem beschleunigerbasierte Konzepte, bei denen Lithium mit Neutronen in Tritium umgewandelt wird. Auch Reaktorkonzepte mit bewusstem Tritiumüberschuss sind vorgeschlagen worden.

Vorgeschlagen ist dabei nicht dasselbe wie gebaut. Eine europäische Tritiumanlage könnte – je nach Konzept – einen hohen dreistelligen Millionenbetrag bis etwa eine Milliarde Euro kosten. Vor allem aber braucht sie Zeit für Genehmigung, Bau und Inbetriebnahme.

Wenn ein Demonstrator 2038 Tritium benötigt, ist 2026 kein früher Zeitpunkt für die Entscheidung. Es ist ein später.

5. Der Divertor: ein Bereich mit guten Nachrichten

Der Divertor führt Helium-Asche und Verunreinigungen aus dem Plasma ab. Er gehört zu den am stärksten belasteten Teilen der Anlage.

Hier ist die Lage vergleichsweise erfreulich. Wendelstein 7-X hat das Insel-Divertor-Konzept unter Bedingungen getestet, die für einen späteren Kraftwerksbetrieb relevant sind. Die wassergekühlten Module konnten die Wärmelasten abführen; durch kontrolliertes „Detachment“ lässt sich die Last auf die Oberfläche stark reduzieren.

Das heißt nicht, dass alle Materialfragen erledigt sind. Die Neutronenbelastung im Kraftwerk kommt noch hinzu. Aber der Divertor ist ein Beispiel dafür, dass die Fusionsforschung nicht nur aus offenen Problemen besteht.

6. Wärmeauskopplung und Stromerzeugung

Dampf, Turbine und Generator sind keine unbekannten Technologien. Die Herausforderung liegt in der Integration. Blanket, Divertor und Strukturteile liefern Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus. Diese Wärme muss in einen stabilen Kreislauf überführt werden, ohne dass die Wartungslogik des Reaktors das Kraftwerk ausbremst.

Kyoto Fusioneering arbeitet mit UNITY an einer integrierten Testanlage für Wärmeextraktion, Stromerzeugung und Tritiumtechnik. Der Stellarator besitzt hier einen praktischen Vorteil: Dauerbetrieb verspricht einen gleichmäßigeren Wärmestrom. Ein gepulster Tokamak braucht zusätzliche Lösungen für seine Betriebszyklen.

Wie teuer ein Fusionskraftwerk am Ende wird, ist derzeit kaum belastbar zu sagen. Kostenstudien reichen über eine sehr breite Spanne. Das ist weniger ein Zeichen für geheime Preisabsprachen als für eine Technologie, deren industrielle Referenzanlage noch nicht existiert. Wer heute eine Zahl mit zwei Nachkommastellen nennt, hat vermutlich mehr Vertrauen in seine Excel-Tabelle als in die Datenlage.

Die Gesamtrechnung

Für ein europäisches „Apollo-Programm Fusion“ ergibt sich als politische Szenariozahl eine Größenordnung von fünf bis zehn Milliarden Euro über 15 Jahre:

laufende Forschung, Wendelstein-7-X-Betrieb und Materialentwicklung: etwa drei bis fünf Milliarden Euro über 15 Jahre;
HTS-Fertigung und industrielle Skalierung: grob eine bis zwei Milliarden Euro;
Tritium-Infrastruktur: etwa 0,5 bis eine Milliarde Euro;
Demonstratoranlagen, teilweise privat finanziert: etwa eine bis zwei Milliarden Euro.

Diese Summe ist keine Garantie für ein Kraftwerk. Sie ist eine Größenordnung für die Frage, ob Deutschland und Europa die offenen Bauteile gleichzeitig entwickeln wollen.

Die Prioritäten sind trotzdem klar.

Erstens: Tritium-Infrastruktur, weil die Vorlaufzeit lang ist. Zweitens: HTS-Fertigung, weil ohne bezahlbare Magnete kein kleiner und bezahlbarer Reaktor entsteht. Drittens: Blanket- und Materialtests, weil hier die größte technische Unsicherheit liegt. Alles andere muss weiterlaufen, darf aber nicht zur Ausrede werden, die Engpässe auf später zu verschieben.

Was wirklich bremst

Keines dieser Probleme ist ein fundamentaler physikalischer Widerspruch. Jedes ist jedoch ein möglicher Zeit- und Kostenfaktor. Fusion kann in 15 Jahren kommen. Sie kann auch in 40 Jahren kommen. Der Unterschied liegt nicht in einem einzelnen Durchbruch, sondern darin, ob viele mittlere Probleme gleichzeitig und früh genug bearbeitet werden.

Das ist eine unangenehme Botschaft für Politik und Industrie. Man kann sie nicht mit einem neuen Rekordfoto erledigen. Man muss Produktionskapazität aufbauen, Testanlagen finanzieren und Entscheidungen treffen, bevor der Bedarf in einer Pressekonferenz sichtbar wird.

In Teil 4 geht es deshalb um den eigentlichen Engpass: die Gesellschaft. Nicht, weil Technik unwichtig wäre. Sondern weil Technik ohne langfristige Entscheidungen nur eine Sammlung sehr beeindruckender Prototypen bleibt.