Der weltweit stärkste Magnet hat die Kraft, einen Flugzeugträger anzuheben – tatsächlich soll er aber die Energieversorgung der Zukunft sichern

Der Solenoid besteht aus mehreren Einzelmodulen, die aufeinandergestapelt und verbunden werden. In der Aufrechten bilden sie dann den Mittelpunkt eines Tokamaks. (Bildquelle: Adobe Firefly, generative KI)

Es gilt, die Urkraft des Universums zu überwinden: Positiv geladene Atomkerne widersetzen sich allzeit jedem Versuch, sie an- oder gar ineinanderzudrücken. Von Natur aus vermögen dies nur Sterne.

Doch ein Gigant soll helfen, den ultimativen Atom-Widerstand auf Erden zu brechen: das auf seinen ersten Schlag wartende Herz vom Forschungsreaktor ITER – dem International Thermonuclear Experimental Reactor. Jetzt ist es installiert, während drumherum der Rest der potenziellen Zukunft der Energieversorgung Gestalt annimmt.

Voll entfesselt hätte dieser riesige Magnet, genannt Solenoid, allein genügend Kraft, um einen Flugzeugträger anzuheben, wie die Kooperation hinter ITER vermeldet. Wir geben euch einen Überblick zur geplanten Funktionsweise der neuen Heimat des weltweit stärksten Einzelmagneten.

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ITER – Ein Jahrhundertprojekt der Menschheit

Der Fusionsforschungsreaktor ITER in Cadarache (Südfrankreich) befindet sich seit 2007 im Bau und stellt die erste großtechnische Anlage der Welt dar. Alles andere schrumpft im Vergleich zu kleinen Testständen.

Als Ergebnis einer einmaligen internationalen Kooperation von 33 Nationen und umso mehr Unternehmen stellt er den Vorzeige-Testreaktor für das Tokamak-Verfahren dar. Es gilt als der älteste und besterforschte Ansatz, um leichtere Kerne zu schweren zu verschmelzen und dabei nutzbare Energie zu gewinnen.

Mehr zu den Prinzipien dahinter und wie sich Kernfusion von Kernspaltung unterscheidet, erfahrt ihr im folgenden Klappkasten.

Grundlagen und Arten der Kernfusion

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Die drei wichtigsten Ansätze für Kernfusionskraftwerke sind:

Wir kennen drei große Zweige, auf denen parallel Kernfusionsforschung läuft:

• Tokamak (Mehr dazu im Haupttext)
• Stellarator
• Trägheitsfusion
• Hinzu kommen Nebenpfade, wie Reaktoren, die Umgekehrte Feld-Einstellung nutzen.

Abseits ihrer Unterschiede haben sie alle eines gemeinsam: Mit der erzeugten Energie erhitzen sie Wasser. Der entstehende Dampf treibt eine Turbine an, die elektrischen Strom erzeugt.
In den letzten Schritten des Prozesses unterscheiden sich Fusionskraftwerke nicht von Kohle-, Gas- oder Atomkraftwerken. Nur erzeugen sie die Wärmeenergie nicht aus der Verbrennung chemisch gebundener fossiler Energie (Kohle und Gas) oder aus der Spaltung von sehr schweren Kernen (Atomkraftwerke).

Stattdessen verschmelzen bei der Kernfusion zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren. Meistens die zweier Wasserstoffatome, woraus Helium entsteht. Dabei wird vorrangig Energie in Form von Neutronen freigesetzt. Dieser Prozess geschieht in einem sogenannten Plasma.

Plasma ist der vierte Aggregatzustand von Materie (neben fest, flüssig und gasförmig). Es entsteht, wenn Gas stark aufgeheizt wird. Sobald die Kernfusion läuft, hält sie das Plasma selbst auf Temperatur. Zum Anlaufen wird jedoch von außen Strom zugeführt. Die Erhitzung kann durch verschiedene Prozesse erfolgen, zum Beispiel durch Mikrowellenstrahlung. Das Plasma schwebt magnetisch gehalten in einem Vakuumbehälter – also frei von anderen Gasen.

Stellarator: Anstatt in einer regulären Kammer fließt das Plasma durch einen engen, ebenfalls annähernd ringförmigen Tunnel, der zusätzlich verdreht ist. In ihm windet sich das Plasma quasi rasend schnell. Hierfür ist nur ein einzelnes Magnetfeld nötig, das durch ringförmige Magnete erzeugt wird.
Im Gegensatz zum Tokamak fließt kein Strom durch das Plasma selbst, da die komplexe Anordnung der äußeren Magnete die Aufgabe alleine erfüllen kann. Ein Stellarator kann im Gegensatz zum Tokamak ununterbrochen laufen und so durchgehend Strom erzeugen.
Allerdings: Die dreidimensionale, asymmetrische Anordnung erwies sich als ein mathematisch-physikalisches Monstrum. Erst Supercomputer waren in der Lage, die nötigen Berechnungen durchzuführen. Daher konnte der theoretische Entwurf von Stellarator-Reaktoren erst spät im 20. Jahrhundert erfolgen. So hinken sie in ihrer Entwicklung etwas hinter den Tokamaks zurück – sind aber nach Meinung vieler Experten der geeignetere Kandidat für Kraftwerke.

Trägheitsfusion: Hierbei werden Geschosse oder starke Laser auf einen winzigen Punkt abgefeuert. An diesem befindet sich im Inneren einer Reaktionskammer eine winzige Menge Treibstoff (Wasserstoff) in Form eines Pellets. Die Energie der Laser oder Geschosse trifft innerhalb von Mikrosekunden auf das Pellet und drückt es extrem stark zusammen.
Durch diese enorme Verdichtung und Hitze wird eine Kernfusion ausgelöst. Um jedoch über längere Zeiträume Energie zu gewinnen, muss dieser Vorgang immer wieder und sehr schnell hintereinander ablaufen. Im Prinzip sammeln wir hier quasi die Energie von explodierenden Miniatur-Wasserstoffbomben ein.

Wichtige Meilensteine wurden zuletzt auch bei Tokamaks sowie im Feld der Trägheitsfusion erreicht, zudem gibt es über Fortschritte bei einem neuen Typ von Reaktor zu berichten:

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Das Herz von ITER: Der Solenoid

18 Meter hoch, ein Durchmesser von 4,25 Meter und mehr als 1.000 Tonnen schwer - der Mega-Magnet ist ein wahrer Koloss. Inmitten des derzeit entstehenden donutförmigen Ringes aus Vakuumkammern für das Plasma steht er inzwischen, der Solenoid. Nach Angaben seiner US-amerikanischen Hersteller und dem ITER-Konsortium erzeugt er das weltweit stärkste Magnetfeld - 280.000 Mal stärker als das Erdmagnetfeld. Würden wir ihn über einem Flugzeugträger platzieren, könne er ihn laut ITER zwei Meter anheben.

Acht verschiedene Unternehmen aus den USA waren allein daran beteiligt, den Rahmen sowie die Stützstruktur für den Magnet-Giganten zu fertigen. Dieses Unterfangen rechtfertigt aus Sicht seiner Schöpfer einen eigenen Namen: das magnetische Exoskelett. Es könne einer Kraft von 100 Meganewton widerstehen, was wiederum dem Doppelten des Schubes des NASA Space Shuttles entspricht.

Schemata eines Tokamaks, wie ITER Bild von ITER (Bauphase)

In der Illustration ist der Solenoid als der blaue Pfeiler in der Mitte klar zu erkennen. Um ihn herum wickelt sich quasi die Vakuumkammer, in der der Plasmastrom von den Magnetfeldern in der Schwebe gehalten wird. Am Foto von den Bauarbeiten sind zwei von drei erwähnten Elementen ebenfalls erkennbar: der zentrale Transformator (Elektromagnet) in der Mitte und eines der Segmente des Ringes. Das Plasma fehlt noch. (Bildquelle: ITER)

Gemeinsam mit den außen am Torus sitzenden Magneten schließt der Solenoid das Plasma ein. Zudem schickt er einen starken elektrischen Impuls durch das Gemisch aus Wasserstoff und Deuterium, der mithilft, das Plasma in die korrekte Form zu zwingen und es auch mit aufheizt.

Hierbei kommen aber noch weitere Heizmethoden wie die Bestrahlung mit Neutronen oder Hochfrequenzheizung durch Mikrowellen zum Einsatz, um die extrem hohen Temperaturen (rund 150 Millionen Grad) zu erreichen. Nur so kann die extrem heiße Masse in einem Zustand gehalten werden, der die Fusion von Wasserstoffatomen ermöglicht.

Das gesamte System, inklusive der 18 sogenannten toroidalen und sechs poloidalen Magnetspulen, wird komplett zusammengesetzt fast 3.000 Tonnen wiegen - in etwa so viel wie sechs Airbus A380-800 mit Höchststartgewicht.

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Im Inneren der Sonne herrschen dagegen nur 15 Millionen Grad. Aber bei genauerem Nachdenken ergibt das Sinn: Denn damit Atomkerne verschmelzen, braucht es immensen Druck und/oder hohe Temperaturen.

Wir können auf Erden die nach innen wirkenden Kräfte im Kern der Sonne nur unter extremsten Bedingungen für Sekundenbruchteile nachahmen - mit Hitze. Deshalb nehmen wir in den meisten entworfenen Fusionsreaktoren den Weg hierüber. Die Trägheitsfusion (siehe Klappkasten) weicht allerdings ab. Sie bedient sich eines großen Hammers in Form eines Lasers.

Wer die Baustelle von ITER einmal virtuell besuchen möchte, auf den wartet hier ein Englisch kommentierter Rundflug über das Gelände und ins Innere einiger fertiggestellten Gebäude - denn da ist weit mehr als nur die tiefe Grube, in welcher der eigentliche Reaktor rund um den Solenoiden zusammengesetzt wird.

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Indes wird der Solenoid die elektromagnetischen Kräfte nicht dauerhaft erzeugen, sondern in Impulsen - 300 bis 500 Sekunden lang. Dies stellt aber derzeit auch einen Nachteil des Tokamaks-Konzepts gegenüber anderen Verfahren zur Kernfusion dar: Er kann nicht dauerhaft laufen, sondern muss zwischendurch abschalten. Die Maximaldauer am ITER in späteren Testphasen wird bei 3.000 Sekunden liegen, also etwa 50 Minuten.

2035 soll der vollständig ausgestattete Reaktor in Betrieb gehen – ursprünglich war 2016 geplant. Verzögerungen der Größenordnung von Jahrzehnten sind bei solchen Projekten allerdings eher Standard als Ausnahme.

Kernfusion als Hoffnung der oder für die Zukunft?

Derweil bleiben Fusionsmeiler unter Vorbehalt und die Frage, ob sie uns wirklich in Zukunft helfen oder wir eher schier ewig weiter auf sie hoffen müssen, ist berechtigt. Denn wir fantasieren schon seit Jahrzehnten davon – bisher ohne Nettostromertrag. Der Astrophysiker Josef M. Gaßner ist zumindest überzeugt: »Ich werde es nicht mehr miterleben«. Es stünde derzeit allein noch reichlich an Absehbarem im Weg.

So soll auch ITER niemals Strom ins Netz liefern, sondern eben nur zeigen, wie es funktionieren könnte. Er soll in die Geschichte eingehen, als das Fusionskraftwerk, an dem wir lernen, weltweit echte Meiler dieser Art zu bauen sowie zu betreiben. Das Demonstrationskraftwerk DEMO soll hierfür dann den Grundstein im Betrieb legen – Mitte des Jahrhunderts. Für DEMO lautet das Ziel: Zuverlässig einige hundert Megawatt elektrische Energie in das Netz einspeisen.

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Im Kontrast hierzu sprießen in den vergangenen Jahren zusehends Projekte aus der Forschungs- und Industrielandschaft, um ITER auf dem Parallelgleis zu überholen. Denn wie auch der obige Kasten beschreibt, können die Tokamaks zwar für sich beanspruchen, das erste Fusionsverfahren zu sein, das wir ersonnen haben (übrigens in der Sowjetunion) – aber eben nicht das einzige, geschweige denn das vielversprechendste.

Vor allem Stellaratoren wie der Wendelstein 7-X in Norddeutschland zeigen, wie viel Potenzial in ihnen steckt: Sie sind vom Konzept her fortschrittlicher, effizienter und zukunftsträchtiger. Ein deutsches Unternehmen geht sogar so weit, mit einem verwandten Entwurf lange vor DEMO ans Netz gehen zu wollen – schon Anfang des nächsten Jahrzehnts.

Ob das reines Marketing oder tatsächliche Überzeugung ist, lässt sich Stand 2025 nicht seriös beantworten. Uns bleibt derweil wohl nur getreu Hermann Hesse:

Es der Sonne gleichzutun, qualifiziert sich, denken wir, um unter diese Kategorie menschlicher Vorhaben zu fallen.

Oder was meint? Hofft ihr auf Kernfusion als Lösung für drängende Probleme – selbst wenn eure Enkel es erst als Erwachsene miterleben? Oder haltet ihr alle Vorhaben in diesem Feld für Träumereien, die letzten Endes zum Scheitern verurteilt sind? Schreibt uns eure Gedanken gerne in die Kommentare!