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Anhörung zur Fusionsforschung

Forschungsausschuss des Deutschen Bundestages hört Experten zur Fusionsforschung

29. März 2001

Am 28. März 2001 fand vor dem Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung des Deutschen Bundestages in Berlin eine Anhörung zur Fusionsforschung statt. Geladene Experten, darunter Prof. Dr. Alexander Bradshaw, der wissenschaftliche Direktor des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP), beantworteten Fragen zu den vier Themenkomplexen:

  • Stand und absehbare Entwicklung der Kernfusionsforschung,
  • Chancen und Risiken der Kernfusion für Mensch und Umwelt,
  • Standort Deutschland und Europa, Kosten der Forschung und politischer Handlungsbedarf,
  • Zukünftige Rolle der Kernfusion in der Energieversorgung.

Das IPP ist das größte Zentrum für Fusionsforschung in Europa. An den Standorten Garching, Greifswald und Berlin arbeiten rund 1000 Mitarbeiter, ebenso viele Arbeitsplätze dürften in Zuliefer- und Servicefunktionen hinzukommen. Hier eine Zusammenfassung des IPP-Statements:

Stand der Fusionsforschung
Ziel der Forschung ist die Entwicklung eines Fusionskraftwerks, das - ähnlich wie die Sonne - aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie erzeugt. Zum Zünden des Fusionsfeuers muss der Brennstoff - ein Deuterium-Tritium-Plasma - in Magnetfeldern eingeschlossen und auf hohe Temperaturen aufgeheizt werden.
In den letzten 50 Jahren hat die Fusionsforschung in Plasmatheorie und Experiment erhebliche Fortschritte erzielt. Sie werden am deutlichsten in dem sogenannten "Fusionsprodukt" aus den drei Plasmawerten Dichte, Temperatur und Energieeinschlusszeit. Von den ersten Anlagen bis zu den heute größten Tokamakexperimenten konnte das Fusionsprodukt kontinuierlich um den Faktor 5 000 000 gesteigert werden. Es ist im Europäischen Gemeinschaftsexperiment JET nur noch einen Faktor 5 von dem Kraftwerks-Zielwert entfernt. 1997 konnte JET bereits kurzfristig eine Fusionsleistung von 16 Megawatt erzeugen. 65 Prozent der aufgewandten Heizleistung wurden dabei per Fusion wieder zurückgewonnen.

Wie diese Ergebnisse zeigen, ist die Fusionsforschung auf physikalischer Seite ihrem Ziel sehr nahe gekommen. Für den restlichen Weg zu einem Kraftwerk reichen die existierenden Anlagen jedoch nicht mehr aus. Das erste energieliefernde Plasma soll ein neues, größeres Experiment - der internationale ITER - herstellen. ITER soll eine Fusionsleistung von 500 Megawatt erzeugen - 10mal mehr als er als Heizleistung verbraucht.
Damit soll der Testreaktor die Machbarkeit der Fusion nachweisen und die für die Entwicklung eines Demonstrationskraftwerks noch ausstehenden physikalischen und technologischen Informationen bereitstellen. In den letzten zehn Jahren haben dazu die vier Partner Europa, Japan, Rußland und USA gemeinsam das ITER-Konzept erstellt. Die wesentlichen Bauteile wurden zusammen mit der Industrie entwickelt und als Prototypen gebaut. Die nächste Aufgabe ist nun, alle Komponenten in ITER zu einem funktionierenden Ganzen zusammenzubringen. Auf ITER soll ein Demonstrationskraftwerk DEMO folgen, das elektrischen Strom erzeugen und die Dimensionen eines kommerziellen Kraftwerks besitzen wird.

Auf physikalischer Seite wird parallel zu dem Tokamak ITER die Stellaratorlinie weiter entwickelt. In Europa geschieht dies im wesentlichen im IPP-Teilinstitut Greifswald, wo die Anlage Wendelstein 7-X die Kraftwerkstauglichkeit der Stellaratoren prüfen soll. Für DEMO ist damit noch offen, ob die Anlage ein Stellarator oder ein Tokamak werden wird. Da alle technologischen Entwicklungen jedoch unabhängig vom Einschlusskonzept sind, können die an ITER getesteten Entwicklungen später auch direkt für den Stellarator genutzt werden.

Auf technologischer Seite liegen die Herausforderungen insbesondere in der Materialforschung: Parallel zu ITER ist die Entwicklung neutronenbeständiger Baumaterialien mit geringem Aktivierungspotenzial voranzutreiben, von hitze- und erosionsbeständigen Materialien für die Erste Wand sowie von Komponenten für den Brutkreislauf.

Wann ein erstes kommerzielles Fusionskraftwerks in Betrieb gehen kann, hängt entscheidend von der Realisierung von ITER und DEMO ab: Bei einem angenommenen Baubeginn von ITER im Jahr 2006 und Experimentierbeginn 2014 könnte bei positiven Ergebnissen 2021 die Planung und 2029 der Bau von DEMO folgen, der um 2037 in Betrieb gehen könnte. Der Bau eines kommerziellen Fusionskraftwerks könnte damit 2047 beginnen, etwa 2055 würde es erstmals Strom liefern. Dieser Zeitplan setzt den politischen Wille voraus, die mit ITER gewonnenen Erkenntnisse unverzüglich umzusetzen und ohne Verzögerung zu DEMO fortzuschreiten. In der Vergangenheit war diese Kontinuität nicht immer zu erkennen: Selbst eine ITER-Bauentscheidung im Jahr 2001/02 bedeutet bereits eine erhebliche ­ politisch bedingte ­ Verzögerung von einigen Jahren gegenüber den Planungen der Fusionsforscher.

ITER-Finanzierung
Die Kosten der ITER-Entwicklungsarbeiten beliefen sich bis heute auf ca. 970 Millionen Euro, aufgeteilt auf die Partner Europa, Japan, USA und Russische Föderation.
Die Baukosten für ITER wurden auf rund 3,5 Milliarden Euro berechnet, die sich auf 10 Jahre Bauzeit verteilen. Die Aufteilung auf die Partner - EU, Japan und Russische Föderation - wird Gegenstand von Verhandlungen sein. Bei einer Errichtung von ITER in Europa oder Japan wäre der Hauptteil der Kosten vom gastgebenden Partner zu tragen, der Rest von dem zweiten Partner und der Russischen Föderation. (Die Entscheidung der USA, vorläufig auf ein kraftwerkorientiertes Fusionsprogramm zu verzichten und aus der ITER-Zusammenarbeit auszusteigen, entspricht der in den USA herrschenden Meinung, dass es weder eine Weltenergiekrise noch ein Weltklimaproblem geben wird). Erwartet wird, dass Kanada demnächst ein Standort-Angebot für ITER abgeben wird, das ­ neben dem erschlossenen Gelände ­ auch rund 20 Prozent der Errichtungskosten beinhaltet. Damit würde eine Aufspaltung zwischen Japan, Europa, der Russischen Föderation und Kanada möglich.

Beim Bau von ITER außerhalb Europas könnte der Europäische Beitrag aus einem im Geldwert konstanten europäischen Fusionsbudget getragen werden. Dagegen würde ITER in Europa erhebliche Einsparungen an anderen Stellen des europäischen Fusionsprogramms erfordern, möglicherweise auch eine geringfügige Erhöhung des Gesamtetats. In jedem Fall werden Bau und Betrieb von ITER zum Umbau der europäischen Fusionsforschung führen, die prinzipiell aber erhalten bleiben muss, um die europäische Expertise und die Ausbildung des Nachwuchses aufrecht zu erhalten.

Ökologische Vorteile der Fusion
Ein Fusionskraftwerk erzeugt keine Gase, die das Klima schädigen oder andere toxische Wirkungen entfalten könnten. Zudem ist die Fusionsenergie mit hoher Dichte im Fusionsbrennstoff gespeichert. In einem Kraftwerksleben werden davon nur geringe Mengen verbraucht - lediglich einige zehn Tonnen der Rohstoffe Deuterium und Lithium. Mit ihrer Gewinnung sind weder nennenswerter Bergbau noch andere signifikante Umweltschäden verbunden.
Fusion kann überall auf der Welt eingesetzt werden. Sie ist weder vom Klima noch von besonderen Lagerstätten abhängig. Deuterium und Lithium sind in nahezu unerschöpflichen Mengen zum Beispiel im Meerwasser enthalten. Konflikte wie um das Erdöl wird es nicht geben. Schon heute suchen die sich rasch entwickelnden Länder in Asien - China, Indien, allen voran Korea - Anschluß an die Fusionsforschung. Der Betrieb eines Fusionskraftwerkes kann aus prinzipiellen physikalischen Gründen nicht zu einem Unfall mit katastrophalen Folgen führen. Auch werden nachfolgende Generationen durch die Abfälle der Fusion nicht wesentlich belastet. Die Radiotoxizität des Fusionsabfalls klingt innerhalb weniger Jahrzehnte um viele Größenordnungen ab.

Es ist damit möglich, dass bezüglich der Nachhaltigkeit die Kernfusion anderen innovativen Energieversorgungtechniken nicht nur ebenbürtig, sondern überlegen ist. Deshalb wäre es notwendig, alle Technologien ebenso umfassend zu bewerten, wie dies für die Kernfusion seit langer Zeit geschieht. Die Kernfusion wird wohl mit Recht als die am besten untersuchte Zukunftstechnologie betrachtet, als "possibly the most reviewed science and technology program in history², so eine von IANUS und Öko-Institut Darmstadt im Auftrag des Schweizer Wissenschaftsrat herausgegebene Studie.

Radioaktive Abfälle eines Fusionskraftwerks
Ein Fusionskraftwerk enthält ­ bis auf den Brennstoff Tritium ­ zunächst keine radioaktiven Materialien. Aktiviertes Material entsteht erst beim Betrieb durch den Beschuss der Gefäßwände durch die Fusionsneutronen. Seine Eigenschaften hängen damit von der Zusammensetzung des Plasmagefäßes ab und sind ­ in Maßen ­ wählbar. Die Entwicklung niedrig-aktivierbarer Stähle ist daher ein wichtiges Ziel der Materialforschung.

Die Halbwertszeiten der meisten Stähle liegen im Bereich einiger Jahre und sind damit wesentlich geringer als die der Aktiniden in Spaltreaktoren (mit bis zu 100 000 Jahren). Deshalb fällt auch die Radiotoxizität des Fusionsabfalls in 50 bis 100 Jahren um mehrere Größenordnungen ab. Je nach Zusammensetzung der Strukturmaterialien ist - nach 50 bis 500 Jahren - die Radiotoxizität des Fusionsabfall auf das Niveau der Asche eines Kohlekraftwerkes abgesunken, das die gleiche Menge an Energie erzeugt hat. (Kohleasche enthält die natürlichen Isotope Kalium-40, Thorium-232, Uran-235 und Uran-238.) Die Masse der Kohleasche übersteigt dabei die Masse des Fusionmaterials um etwa den Faktor 300.

Von der Gesamtmasse des Fusionsabfalls - etwa 65 000 Tonnen - können 30 bis 40 Prozent nach maximal 100 Jahren Abklingzeit unbegrenzt freigegeben werden. Für weitere 60 Prozent kommt ein ganzes Spektrum von Maßnahmen in Frage. Je nach Aufwand - Bearbeiten ?von Hand¹ bis hin zu ?komplexer Fernhantierung¹ - ist sowohl vollständige Rezyklierung und Verwendung in neuen Kraftwerken möglich als auch teilweise Rezyklierung oder Endlagerung. Der Rest des Materials - ein bis einige Prozent - ist langlebig. Dieser Anteil ist so gering, weil fusionsspezifische Materialien entwickelt wurden, die keine Legierungselemente wie Nickel, Molybdän, Kobalt oder Niob enthalten, aus denen langlebige Aktivierungsprodukte entstehen könnten. Praktisch das gesamte Periodensytem der chemischen Elemente wurde hierzu im EU-Fusionsprogramm systematisch bewertet. Gemäß derzeitiger EU-Regelung zu Sicherheit und Strahlenschutz würden die langlebigen Materialien in ein Lager verbracht, das wegen der vergleichsweise geringen Radiotoxizität wohl nicht tiefer als etwa 50 Meter sein müsste.

Unfallgefahr in einem Fusionskraftwerk
Bei der Fusion kann es nicht zu einer Kettenreaktion kommen. Der Brennstoff - etwa 1 Gramm in der Brennkammer - wird kontinuierlich nachgefüllt. Durch Abschalten der Brennstoffzufuhr läßt sich die Energieproduktion in rund 10 Sekunden stoppen. Insgesamt ist es sehr schwierig, in einem Fusionsplasma den Zustand zu erreichen, in dem Fusion möglich ist. Durch jede Störung - zum Beispiel Temperatur- oder Dichteanstieg - wird dieser enge Parameterbereich verlassen und die Fusionsreaktionen erlöschen. Das Kraftwerk schaltet sich damit selbständig ab; alle noch vorliegenden Wärmequellen führen ihre Energie durch passive Kühlung ohne Pumpen an die Umwelt ab. Selbst ein vollständiger Verlust der Kühlung kann nicht zur Freisetzung erheblicher Mengen radioaktiven Materials führen. Die Temperatur in der Fusionsanlage würde auch dann deutlich unter der Schmelztemperatur der Strukturmaterialien bleiben. Diese positive Eigenschaft von Fusionskraftwerken wird allerdings nur bei sorgfältiger Auswahl von Strukturmaterialien und einer geeigneten Konstruktion erzielt. Für ITER ist diese Eigenschaft nachgewiesen.

Zu einer Gefährdung der Öffentlichkeit kann es kommen, wenn die Sicherheitsumhüllungen beschädigt werden. Nach heutiger Kenntnis scheint es unmöglich, die mehrfachen Lagen der Sicherheitshüllen von innen heraus zu zerstören. Hierfür sind in einer Fusionsanlage die Energieinventare zu niedrig.
Nur durch ein unvorhergesehenes externes Ereignis - etwa ein Erdbeben, das die Stärke historischer Erdbeben erheblich überschreitet - könnten die Sicherheitshüllen beschädigt werden. Jedoch wären selbst bei diesem denkbar größten Unfall die Auswirkungen auf die Umgebung begrenzt: Legt man der Analyse deutsche Richtlinien zur Evakuierung der Bevölkerung zugrunde, könnten bei ungünstigen Wetterbedingungen maximal einige Quadratkilometer betroffen sein, allerdings nicht für lange Zeit: Freigesetztes Tritium hat eine biologische Halbwertszeit von etwa 10 Tagen. Nach dieser Zeit verschwindet es fast völlig aus den Organismen von Menschen, Tieren und Pflanzen. Wie Langzeitmessungen von Tritium in Erdböden zeigen, nimmt der Tritiumgehalt in einem Jahr um einen Faktor 1000 ab.

Wirtschaftlichkeit von Fusionskraftwerken
Die Stromgestehungskosten der Fusion - die Bau, Betrieb und Abbau des Kraftwerks sowie Lagerung der Rückstände berücksichtigen - dürften bei der zehnten Anlage einer Art zwischen 12 und 20 Pf/kWh liegen. Die Abschätzung beruht auf Kraftwerks-Studien sowie den Erfahrungen, die während der ITER-Entwicklung gemeinsam mit der Industrie gesammelt wurden. Dabei wurden für die wesentlichen ITER-Komponenten Prototypen gebaut, die eine relativ sichere Grundlage für Kostenschätzungen liefern.
Die wirtschaftliche Attraktivität einer Energiequelle wird aber nicht nur durch den Strompreis bestimmt, sondern auch durch Akzeptanz, Ressourcen und Umweltaspekte. Unter diesen Gesichtspunkten betrachtet stellt die Fusion eine schier unerschöpfliche ­ also quasi erneuerbare ­ Energiequelle mit günstigen Umwelteigenschaften dar.

Fusion und künftige Versorgungs- und Verbrauchsstrukturen
Zahlreiche Studien sagen einen deutlichen Anstieg der Weltenergienachfrage vorher. Allein Indien wird seinen Energieverbrauch in diesem Jahrhundert wohl versechsfachen, für China gilt ähnliches, von vielen Ländern Afrikas ganz zu schweigen. Zur Zeit wird die weltweite Energienachfrage zu 90 Prozent mit fossilen Energieträgern gedeckt. Obwohl Kohle, Öl und Gas - wegen Klimaveränderung, Ressourcenknappheit und Vermeidung geopolitischer Konflikte - möglichst rasch durch andere Energieträger abgelöst werden sollten, spricht vieles dafür, dass ihr hoher Anteil noch einige Jahrzehnte erhalten bleibt: In den Industrieländern bestehen feste, nur langsam veränderliche Energieversorgungsstrukturen; in den Schwellen- und Entwicklungsländern zwingt die Kapitalknappheit dazu, die billigste Lösung zu implementieren. Das bedeutet ­ zumindest für Indien und China ­ die intensive Nutzung der heimischen Kohle.

Für den Ersatz fossiler Energieträger ist Fusion eine wichtige Option, u.a. weil sie sich gut in die bestehenden Versorgungsstrukturen einpasst: Wo heute ein großes Kohle-, Gas- oder Kernspaltkraftwerk steht, kann später ein Fusionskraftwerk stehen. In einer detaillierten Studie des niederländischen Energieinstitutes ECN wurde untersucht, unter welchen Bedingungen Fusion ­ wenn sie im Jahr 2050 bereit steht ­ Eingang in den europäischen Energiemarkt findet. Die Antwort lautet: Fusion wird gebraucht, wenn die Emission an Treibhausgasen deutlich reduziert und die Kernspaltung nicht weiter ausgebaut werden soll. Dann könnte Fusion im Jahr 2100 etwa 20 bis 30 Prozent des europäischen Strombedarfes decken.

Hauptkonkurrenten der Fusion sind dabei Kohle und Kernspaltung. Während ein starker Ausbau von Kohle- oder Kernspaltenergie die Ausbreitung der Fusion verhindern würde, entwickeln sich Fusion und Erneuerbare parallel, was sich durch die sehr unterschiedliche Charakteristik der Techniken erklärt: Fusion bedient in erster Linie die Grundlast, wofür Wind- und Sonnenkraftwerke wegen ihrer intermitterenden Leistungsabgabe nicht geeignet sind, solange nicht Speicher mit großer Kapazität zur Verfügung stehen.

Die ECN-Studie zeigt, dass Fusion dort die meisten Marktanteile gewinnt, wo die geforderte Reduktion der Treibhausgase am striktesten ist. Zwar werden kurz- und mittelfristig CO2-Einsparungen möglich, indem Kohle durch Gas ersetzt wird. In der zweiten Jahrhunderthälfte müssen die Gas-Kraftwerke aber ersetzt werden - die Fusion bietet sich an. Im globalen Blickwinkel wird die Bedeutung der Option Fusion noch deutlicher: In Ländern wie Indien und China sind in den nächsten Jahrzehnten fast nur Kohlekraftwerke geplant. Kraftwerke und Infrastruktur sind auf Lebenszeiten von 30 bis 40 Jahren ausgelegt - zu dieser Zeit soll DEMO mit der Stromerzeugung beginnen.

 
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