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Fusion auf der Erde: ein teures Ziel

Den Durchbruch soll jetzt ITER bringen, der «International Thermonuclear Experimental Reactor». Ein Mammut-Projekt, in dem die Forschungspartner – Europa, Japan, Russland, die USA, China und Südkorea – ihr Know-how bündeln. 5,5 Milliarden Euro investieren sie in ITER, hunderte von internationalen Teams sind an der Planung und Realisierung beteiligt. Anfang des nächsten Jahrzehnts soll der Reaktor im südfranzösischen Cadarache in Betrieb gehen. Wenn alles klappt wie geplant, läuft der Fusionsprozess nach dem Zünden bis zu 60 Minuten stabil weiter.

Herzstück der Anlage wird ein ringförmiges Vakuumgefäss, umgeben von supraleitenden Magnetspulen. Auf den Konstruktionszeichnungen sieht es aus wie ein überdimensionaler Donut. In seinem Inneren wollen Wissenschaftler sonnenähnliche Verhältnisse schaffen: Das Gas im Vakuumgefäss wird mit Mikrowellenstrahlung angeregt. Dabei verliert der Wasserstoff seine Elektronen – es entsteht ein Plasma aus positiv geladenen Ionen. Diese werden in dem kreisförmigen Magnetfeld beschleunigt wie auf einer Rennbahn. Die zunehmende Temperatur und Dichte führen schliesslich dazu, dass die Kerne verschmelzen.

Ionen auf der Rennbahn

All das funktioniert freilich nur, wenn genau die richtigen Bedingungen herrschen. «Beim Betrieb von Fusionsanlagen muss der Plasmaeinschluss überwacht und gesteuert werden. Kontrollieren lassen sich die Bedingungen beispielsweise durch Variation der Magnetfeldstärke, der eingebrachten Energie oder der Teilchen», erklärt Dr. Peter Detemple vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT-IMM in Mainz. «Besonders wichtig ist es, einen abrupten Zusammenbruch des Plasmaeinschlusses zu vermeiden. Dieser würde die Anlage beschädigen, weil innerhalb kürzester Zeit die gesamte im Plasma gespeicherte Energie auf die Wand des Vakuumbehälters übertragen würde.»

Im Auftrag des europäischen ITER-Partners Fusion for Energy erarbeitet Detemples Team gemeinsam mit den Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching eine Messtechnik für den neuen Reaktor. Keine leichte Aufgabe, denn die Sensorik muss den extremen Bedingungen im Inneren des Vakuumbehälters standhalten: Wandtemperaturen von 450 Grad Celsius und das ständige Bombardement durch Neutronen und Röntgenstrahlung, die bei der Fusionsreaktion frei werden. «Das sind schon sehr harsche Bedingungen», resümiert der Physiker.

Besondere Umstände erfordern besondere Technik. Bolometer-Kameras – eine Entwicklung des Max-Planck-Instituts – entpuppten sich als ideal: Sie verfügen über ein ausgetüfteltes Blenden-System, das Streulicht abhält und den Blick auf einen extrem kleinen Fleck konzentriert. «So lässt sich das Plasma in einer genau definierten Richtung beobachten», berichtet Detemple. Sein Team entwickelt den Chip, der im Inneren der Bolometer-Kameras die Strahlung des Plasmas detektiert und in Messsignale umwandelt. Auch dies ist keine einfache Aufgabe – das Spektrum reicht von langwelligem Infrarot bis zu extrem harten Röntgenquanten.

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