Deutschland setzt bei der Kernfusion auf Industrie – KIT übernimmt Schlüsselrolle beim Brennstoffkreislauf

© ITERKarlsruhe/Berlin – Deutschland richtet seine Strategie zur Nutzung der Kernfusion neu aus. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) hat drei nationale Forschungshubs eingerichtet, die zentrale Schlüsseltechnologien für künftige Fusionsreaktoren und Fusionskraftwerke entwickeln sollen. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) übernimmt dabei mit dem Hub MAT-TRIX den Aufbau eines Kompetenzzentrums für den Brennstoffkreislauf, hochbelastbare Werkstoffe und Reaktorkomponenten.

Mit den neuen Forschungshubs verschiebt sich der Schwerpunkt der deutschen Fusionsstrategie. Stand bislang vor allem die wissenschaftliche Grundlagenforschung im Mittelpunkt, soll nun gezielt der Aufbau einer industriellen Wertschöpfungskette vorangetrieben werden. Forschungseinrichtungen und Unternehmen sollen gemeinsam die technologischen Voraussetzungen schaffen, damit Deutschland künftig eine führende Rolle beim Bau von Fusionsreaktoren und später auch kommerziellen Fusionskraftwerken einnehmen kann.

Drei Forschungshubs decken die gesamte Technologieentwicklung ab
Die drei Forschungshubs übernehmen unterschiedliche Aufgaben entlang der technologischen Entwicklung. Während der Hub STRIDE die Magnetfusion voranbringt und vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik gemeinsam mit Proxima Fusion und Gauss Fusion koordiniert wird, entwickelt der Hub VEGA unter der Leitung von Marvel Fusion und Focused Energy Technologien für die Laserfusion.

Der Karlsruher Hub MAT-TRIX bildet die technologische Schnittstelle zwischen beiden Fusionsansätzen. Im Mittelpunkt stehen der Tritium-Brennstoffkreislauf, sogenannte Brutblankets zur Erzeugung des Fusionsbrennstoffs Tritium, hochbelastbare Werkstoffe, zentrale Reaktorkomponenten sowie Fertigungs- und Materialtechnologien. Ziel ist es, die technologischen Grundlagen bereitzustellen, die unabhängig vom gewählten Fusionskonzept benötigt werden.

Kernfusion: Magnetfusion und Laserfusion verfolgen unterschiedliche Wege
Weltweit werden derzeit zwei technische Ansätze zur Kernfusion verfolgt. Bei der Magnetfusion wird ein mehrere Millionen Grad heißes Plasma mithilfe supraleitender Magnetfelder eingeschlossen. Diesen Weg verfolgen unter anderem ITER in Frankreich, Wendelstein 7-X in Greifswald sowie zahlreiche internationale Tokamak-Programme.

Daneben entwickelt sich die Laserfusion als zweiter Technologiepfad. Hier erzeugen Hochleistungslaser für wenige Milliardstel Sekunden die extremen Temperaturen und Drücke, die für Kernfusion erforderlich sind. Zu den führenden Einrichtungen zählt die National Ignition Facility (NIF) in den USA, der 2022 erstmals der wissenschaftliche Nachweis eines Energiegewinns bei einer Fusionszündung gelang.

Der Weg ist lang: Vom Fusionsreaktor zum stromerzeugenden Fusionskraftwerk
Ziel der Strategie ist auf der Ebene des Reaktorbaus zunächst die Zusammenführung bislang getrennt entwickelter Schlüsseltechnologien. Dazu gehören unter anderem der Plasmaeinschluss, der Tritium-Brennstoffkreislauf, hochbelastbare Werkstoffe sowie zentrale Reaktorkomponenten.

Erst wenn diese Bausteine zuverlässig zusammenarbeiten, kann der nächste Entwicklungsschritt folgen: ein integrierter Fusionsreaktor. In ihm muss erstmals das Zusammenspiel aller für die Kernfusion erforderlichen Systeme dauerhaft funktionieren. Im Mittelpunkt steht dabei zunächst der Nachweis eines zuverlässig arbeitenden Reaktors.

Der Schritt vom Fusionsreaktor zum eigentlichen Fusionskraftwerk – also einem Energiekraftwerk zur Stromversorgung – ist eine weitere eigenständige Entwicklungsstufe. Das Grundprinzip eines Fusionskraftwerks entspricht dem eines konventionellen Wärmekraftwerks. Die im Reaktor entstehende Wärme muss dauerhaft ausgekoppelt und über konventionelle Kraftwerkstechnik – Wärmetauscher, Dampferzeuger, Turbinen und Generatoren – in elektrische Energie umgewandelt werden können. Hinzu kommen der wirtschaftliche Dauerbetrieb, die Langzeitbeständigkeit der Materialien sowie Wartungs- und Betriebskonzepte. Erst wenn auch diese Entwicklungsstufe erfolgreich bewältigt ist, wäre der Bau kommerzieller Fusionskraftwerke realistisch.

Deutschland ergänzt die europäische Fusionsstrategie um eine Industrieoffensive
Die Bundesregierung verfolgt mit dem Aktionsplan Fusion das Ziel, das erste Fusionskraftwerk für die Stromversorgung in Deutschland zu errichten. Ein Fusionskraftwerk besteht aus dem eigentlichen Fusionsreaktor und einem konventionellen Kraftwerksteil zur Wärmeauskopplung und Stromerzeugung.

Für den Reaktorteil baut Deutschland auf den gemeinsam mit den europäischen Partnern entwickelten wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen auf. Diese reichen vom internationalen Forschungsreaktor ITER in Frankreich über das europäische Forschungsprogramm EUROfusion bis zur Entwicklung des geplanten europäischen Demonstrationsreaktors DEMO. ITER soll die zentralen Technologien eines großtechnischen Fusionsreaktors und den Betrieb eines brennenden Plasmas nachweisen. Mit DEMO will Europa anschließend erstmals die Verbindung von Fusionsreaktor, Wärmeauskopplung und Stromerzeugung demonstrieren und damit den Übergang zum eigentlichen Fusionskraftwerk vollziehen.

Mit den neuen Forschungshubs ergänzt Deutschland die europäische Forschungsstrategie erstmals um eine nationale Industrie- und Standortstrategie. MAT-TRIX konzentriert sich auf Werkstoffe, den Tritium-Brennstoffkreislauf und Reaktorkomponenten, während STRIDE und VEGA die Magnet- beziehungsweise Laserfusion voranbringen. Ziel ist der Aufbau industrieller Schlüsseltechnologien, Komponenten und Lieferketten, die sowohl für künftige Fusionsreaktoren als auch für spätere Fusionskraftwerke benötigt werden.

Weltweiter Wettlauf um die Kernfusion: Europa, USA und China verfolgen unterschiedliche Strategien
Im internationalen Wettbewerb um die Kernfusion verfolgen Europa, die USA und China unterschiedliche Strategien. Die Europäische Union setzt auf eine gemeinsame Forschungs- und Technologieentwicklung mit ITER und DEMO. Die USA fördern vor allem privatwirtschaftliche Unternehmen mit unterschiedlichen Reaktorkonzepten. China verfolgt eine staatlich koordinierte Entwicklungsstrategie und arbeitet mit EAST, dem seit 2023 im Bau befindlichen Forschungsreaktor BEST sowie dem geplanten Demonstrationsreaktor CFEDR an aufeinander aufbauenden Entwicklungsstufen.

Allen Strategien ist jedoch gemeinsam, dass der Weg vom Fusionsreaktor bis zum eigentlichen Fusionskraftwerk für die Energieversorgung noch nicht abgeschlossen ist. Erst wenn die im Reaktor erzeugte Wärme dauerhaft ausgekoppelt und über konventionelle Kraftwerkstechnik in elektrische Energie umgewandelt werden kann, entsteht ein Energiekraftwerk für die Stromversorgung.

Mit den neuen Forschungshubs positioniert sich Deutschland innerhalb der europäischen Fusionsstrategie als Industrie- und Technologiestandort für künftige Fusionsreaktoren und Fusionskraftwerke.