156,5 Milliarden Yuan! Das teuerste Forschungsprojekt der Geschichte, worum geht es genau?

Die kontrollierte Kernfusion simuliert die Kernreaktionen der Sonne und gilt als ideale saubere Energiequelle. Mit großer Spannung erwartet wird auch der Internationale Thermonukleare Versuchsreaktor (ITER), das derzeit größte im Bau befindliche Forschungs- und Entwicklungsprojekt auf diesem Gebiet. Es wird Wissenschaftlern dabei helfen, die Dauer kontrollierter Kernfusionsreaktionen zu verlängern, entsprechende Technologien zu testen und letztendlich eine stabile Energieversorgung zu erreichen.

ITER-Baustelle, 2. Juni 2023. Bildquelle: iter.org

Andererseits stellt der Bau von ITER aber auch eine enorme ingenieurtechnische Herausforderung dar. Seit Beginn des Projekts wurde der Starttermin mehrmals verschoben und das Budget kontinuierlich erhöht. Kürzlich berichtete Charles Seife, ein Reporter des Scientific American, dass der Start von ITER wie geplant im Jahr 2025 wahrscheinlich nicht möglich sei und niemand den genauen Zeitplan und die daraus resultierenden erhöhten Haushaltsausgaben kenne[1].

ITER reagierte nicht auf Seifers Interviewanfrage, gab jedoch kürzlich bekannt, dass es im Jahr 2024 einen neuen Zeitplan veröffentlichen werde.[2]

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Kontrollierte Kernfusion

Jahrzehnt für Jahrzehnt

Die ITER-Versuchsanlage befindet sich in Südfrankreich. Das Projekt wurde 2006 ins Leben gerufen und sollte ursprünglich 2016 mit einem Budget von 5 Milliarden Euro (etwa 50 Milliarden Yuan) beginnen. Es handelt sich dabei zugleich um eines der größten wissenschaftlichen Forschungskooperationsprojekte der Menschheitsgeschichte, an dem insgesamt 35 Länder teilnehmen und das gemeinsam von China, der Europäischen Union, Indien, Japan, Südkorea, Russland und den USA umgesetzt wird. China ist für etwa 9 % der Arbeiten am ITER verantwortlich, einschließlich der Forschung, Entwicklung und Produktion einiger Schlüsselkomponenten.

Allerdings übertraf die Komplexität des Projekts mehrfach die ursprünglichen Erwartungen. Den letzten Zeitplan für ITER veröffentlichte das Unternehmen im Jahr 2016. Damals wurde erwartet, dass die Experimente im Jahr 2025 beginnen und die Deuterium-Tritium-Fusionsreaktionen im Jahr 2035 beginnen würden[3]. Scientific American berichtete, dass viele Kernkomponenten von ITER ein oder zwei Jahre später als erwartet geliefert wurden, bei manchen dauerte es sogar noch länger. Ursprünglich war für den Beginn der Montage des Kernstücks von ITER, des Fusionsreaktors Tokamak, für 2018 geplant, tatsächlich wurde die Montage jedoch erst im Juli 2020 durchgeführt.

Die COVID-19-Pandemie im Jahr 2020 hatte Auswirkungen auf die wissenschaftliche Forschung, Produktion und Schifffahrt in Ländern auf der ganzen Welt, was wiederum den Fortschritt des ITER beeinträchtigte[4]. Bei manchen Teilen kann es nach dem Einbau zu Problemen kommen und sie müssen repariert oder ersetzt werden. Im Januar 2022 stoppte die französische Atomsicherheitsbehörde (ASN) die gesamte Montage des ITER-Tokamaks mit der Begründung, dass dieser hinsichtlich der Tragstruktur und des Strahlenschutzes nicht den Sicherheitsstandards entspreche[5]. ITER erklärte, dass man sich mit dem Problem befassen und sicherstellen werde, dass die entsprechenden Komponenten die Konstruktionsanforderungen erfüllen. Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es noch keine öffentlichen Informationen darüber, wann die Versammlung wieder aufgenommen wird.

Schematische Darstellung der Tokamak-Anlage ITER. Bildquelle: iter.org

Im Januar dieses Jahres erklärte ITER-Direktor Pietro Barabaschi gegenüber der Nachrichtenagentur AFP, dass ITER möglicherweise nicht wie geplant im Jahr 2025 in Betrieb genommen werden könne[6]. Der Reporter des Scientific American, Seifer, kritisierte ITER dafür, dass es den Projektfortschritt nicht rechtzeitig offengelegt habe. Laut internen Dokumenten, die er über Rechtswege (Klage) erhalten hat, ist der Fertigstellungstermin von ITER nun ungewiss und das Ziel der Zündung im Jahr 2025 kann möglicherweise nicht erreicht werden.

Der Austausch von Ausrüstung und Projektverzögerungen haben zudem zu immer höheren ITER-Ausgaben geführt; der jüngste öffentliche Haushalt belief sich auf 20 Milliarden Euro (etwa 156,5 Milliarden Yuan). Derzeit ist auf der Website des ITER-Projekts zu lesen, dass „der neueste Zeitplan und der Budgetplan noch geprüft werden“.

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Das Dilemma großer Wissenschaftsprojekte

ITER wird auch als die größte „künstliche Sonne“ bezeichnet. Das Reaktionsprinzip der kontrollierten Kernfusion ähnelt dem im Inneren der Sonne: Bei sengenden Temperaturen reagieren Deuterium und Tritium zu Helium und Neutronen, wobei große Mengen Energie freigesetzt werden. Im Vergleich zur bestehenden Kernenergietechnologie, die auf Kernspaltung basiert, ist die kontrollierte Kernfusion nicht nur effizienter, sondern verringert auch das Risiko einer Strahlenbelastung erheblich. Dabei entsteht kein schwer zu entsorgender radioaktiver Atommüll und aufgrund der harschen Reaktionsbedingungen kommt es bei einem Geräteausfall zu einem spontanen Abbruch der Reaktion.

Da jedoch die Plasmatemperatur, in der Fusionsreaktionen stattfinden, extrem hoch ist und seine Eigenschaften instabil sind, stellt dieser Prozess äußerst strenge Anforderungen an die Reaktionsbedingungen. Es gibt drei Hauptmethoden, um eine kontrollierte Kernfusion zu erreichen: Gravitationseinschluss, Trägheitseinschluss und magnetischer Einschluss. Die durch magnetischen Einschluss kontrollierte Kernfusionsanlage wird auch Tokamak (Magnetspulen-Ringvakuumkammer, Tokamak) genannt. Seine Struktur ähnelt einem riesigen Donut, der mithilfe eines starken Magnetfelds das Plasma, das Kernfusionsreaktionen durchläuft, im Inneren einschließt, ohne dass es direkten Kontakt mit dem Behälter hat.

Nach seiner Fertigstellung wird ITER mit einem Gewicht von 23.000 Tonnen die größte Tokamak-Anlage der Welt sein[7]. Die Temperatur des Plasmas in der ringförmigen Höhle wird 150 Millionen Grad Celsius erreichen, was dem Zehnfachen der Temperatur des Sonnenkerns entspricht. Der supraleitende Magnet außerhalb des Hohlraums muss bei einer extrem niedrigen Temperatur von nahe -270 °C (Temperatur von flüssigem Helium) betrieben werden. Um einen solchen Temperaturunterschied zu beschreiben, reichen die Worte „Eis und Feuer“ nicht aus.

China stellt Zuführungen für supraleitende Magnete für ITER her. Diese Komponenten müssen im Übergangsbereich von extrem niedrigen Temperaturen bis hin zu Raumtemperatur funktionieren[8]. Gefilmt am 8. April 2021. Bildquelle: iter.org

Um diesen anspruchsvollen Versuchsbedingungen gerecht zu werden, stellt ITER sehr hohe Anforderungen an die Ingenieurstechnik und die Baukosten. Große wissenschaftliche Projekte wie ITER werden daher häufig in Form multinationaler Kooperationen durchgeführt, bei denen F&E-Aufgaben und finanzielle Investitionen geteilt und letztlich auch Forschungsergebnisse ausgetauscht werden. Allerdings stellt dieses Kooperationsmodell auch Herausforderungen an das Management dar, und es kommt nicht selten zu Mehrausgaben und wiederholtem „Abhauen“. Eine berühmte „Königstaube“ ist das James Webb Space Telescope (JWST). Es wurde gemeinsam von den Vereinigten Staaten, Europa und Kanada entwickelt. Ursprünglich war eine Bauzeit von zehn Jahren geplant, letztendlich dauerte es jedoch zwanzig Jahre und auch das Budget stieg von einer Milliarde US-Dollar auf über zehn Milliarden US-Dollar.

JWST wurde schließlich Ende 2021 gestartet und hat Astronomen geholfen, viele neue Entdeckungen zu machen. Dennoch musste der Bericht von Scientific American alle daran erinnern: JWST wird unmittelbar nach seiner Inbetriebnahme in der Lage sein, Beobachtungsdaten zu liefern, während ITER nach seinem Start zehn Jahre lang wiederholte Experimente durchführen muss, um die entscheidende Deuterium-Tritium-Fusionsreaktion durchzuführen.

Am 23. Mai veröffentlichte die NASA das neueste Bild der Galaxie M74, das eine Synthese von Beobachtungsdaten des Webb-Teleskops und anderer Teleskope darstellt. Bildnachweis: NASA

Ein typisches Beispiel für den Ausfall einer großen wissenschaftlichen Anlage ist wahrscheinlich der US-amerikanische Superconducting Super Collider (SSC), der auf halbem Weg aufgegeben wurde. Insgesamt 15 Länder und Regionen, darunter auch China, beteiligten sich an dem Projekt, das später aufgrund steigender Budgets gestoppt wurde. Zu diesem Zeitpunkt waren bereits 2 Milliarden Dollar für das Projekt ausgegeben worden.[9] Diese Entscheidung sorgte einst für große Unruhe in der Physikergemeinde. Der renommierte chinesisch-amerikanische Physiker Tsung-Dao Lee sagte, der Tag der Schließung des SSC sei ein schwarzer Tag in der Geschichte der amerikanischen Wissenschaft gewesen[9].

Zu dieser Zeit waren das Auslegungsvolumen und die Reaktionsenergie des SSC viermal so groß wie die des Large Hadron Collider (LHC) in Europa. SSC-Direktor Roy Schwitters glaubt, dass Physiker das Higgs-Boson zehn Jahre früher hätten entdecken können, wenn das Projekt fortgesetzt worden wäre.[10]

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Der Wissenschaftler, der die Sonne schuf

Trotz wiederholter Rückschläge im ITER-Projekt wurden auf dem Gebiet der kontrollierten Kernfusion in den letzten Jahren viele bedeutende Fortschritte erzielt. Die erste besteht darin, einen „Nettoenergiegewinn“ zu erzielen, d. h., die Ausgangsenergie ist größer als die Eingangsenergie. Die Bedingungen für kontrollierte Kernfusionsreaktionen sind hart und es ist eine große Menge Energie erforderlich, um die Reaktion zu starten und aufrechtzuerhalten. Daher war in den vergangenen sechzig Jahren der Energieverbrauch der Reaktion stets größer als die abgegebene Energie. Erst im Dezember 2022 gelang es einem Team des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in den USA, die Situation zu ändern.

Basierend auf der Trägheitseinschlusstechnologie speiste LLNL 2,05 MJ Energie in die National Ignition Facility (NIF) ein und produzierte 3,15 MJ Energie, mit einem Nettogewinn von mehr als 1[11]. Obwohl diese Energie nur ausreicht, um Wasser zum Kochen zu bringen und bei weitem nicht den Anwendungsbedarf deckt, handelt es sich dennoch um einen Meilenstein und wird als „Heiliger Gral der kontrollierten Kernfusion“ gefeiert. In Zukunft soll das Verhältnis von Ausgangsenergie zu Eingangsenergie durch ITER um mehr als das Zehnfache gesteigert werden.
Um die Aussicht auf eine stabile Energieversorgung zu verwirklichen, muss der auf magnetischer Einschlusstechnologie basierende ITER zwei Bedingungen erfüllen: Erstens muss die Reaktionsleistung groß genug sein; der andere ist, dass es lange betrieben werden kann. Auch auf diesen Gebieten brechen chinesische Wissenschaftler ständig Rekorde. Im Oktober 2022 stellte Chinas HL-2M-Reaktor einen neuen Rekord für die Plasmastromstärke auf und erreichte 1 Million Ampere (1 Megaampere)[12]. Theoretisch kann die Plasmastromkapazität von HL-2M mehr als 2,5 Megaampere erreichen, während zukünftige kontrollierte Kernfusionsenergie stabil bei Megaampereströmen arbeiten muss.

Was die Betriebszeit betrifft, so stellte Chinas vollständig supraleitendes Tokamak-Kernfusionsexperimentgerät EAST (Eastern Super Ring) im April dieses Jahres einen neuen Rekord für die stationäre Betriebszeit auf und erreichte 403 Sekunden, weit mehr als der vorherige Rekord von 101 Sekunden aus dem Jahr 2017[13]. Als wichtiges Mitglied der chinesischen ITER-Arbeitsgruppe können die Leistungen des EAST-Teams auch zur Zukunft von ITER beitragen.

In den letzten Jahren hat die Industrie auch großes Interesse an der kontrollierten Kernfusion gezeigt. Laut Reuters kündigte das US-Energieministerium am 1. Juni eine Subvention in Höhe von 46 Millionen Dollar an acht verbundene Unternehmen an. Derzeit haben weltweit mehr als 30 Unternehmen in die Forschung und Entwicklung zur Kernfusion investiert. Beispielsweise hat Sam Altman, der Gründer von OpenAI, der durch die Entwicklung von ChatGPT berühmt wurde, auch in ein Kernfusionsunternehmen investiert[14]. Der Bericht geht davon aus, dass die Industrie für kontrollierte Kernfusion mit starker Unterstützung durch die Regierung und das Kapital zwischen 2035 und 2050 allmählich reifen wird.

Wird die Anwendung der kontrollierten Kernfusion dieses Mal wirklich realisiert? Egal, wohin ITER letztendlich geht, es fördert immer noch indirekt wissenschaftliche Forschungsinnovationen in vielen Bereichen wie supraleitenden Magneten und Materialwissenschaften, und alle Beteiligten können auch wichtige Erfahrungen in internationaler Zusammenarbeit, Projektmanagement und anderen Aspekten sammeln. Wenn das Projekt jedoch reibungslos verläuft, werden uns solche groß angelegten Versuchsanlagen sicherlich noch weitere Überraschungen bescheren.

Quellen:

[1] Seife C 2023, Das größte Fusionsprojekt der Welt steckt in großen Schwierigkeiten, wie neue Dokumente zeigen, Scientific American, abgerufen am 29. Juni 2023. https://www.scientificamerican.com/article/worlds-largest-fusion-project-is-in-big-trouble-new-documents-reveal/

[2] ITER 2023, 32. ITER-Rat: Ein Schwerpunkt auf der Aktualisierung der Baseline, abgerufen am 29. Juni 2023. https://www.iter.org/newsline/-/3895

[3] Jahresbericht 2016 der ITER-Organisation. https://www.iter.org/doc/www/content/com/Lists/list_items/Attachments/737/2016_ITER_ANNUAL_REPORT.pdf

[4] ITER 2021, 28. ITER-Rat: Stetige Fortschritte trotz Herausforderungen wie COVID-19, abgerufen am 29. Juni 2023. https://www.iter.org/doc/www/content/com/Lists/list_items/Attachments/938/2021_06_IC-28.pdf

[5] Perrier G 2022, Der nächste Schritt bei der ITER-Lizenzierung, ITER, abgerufen am 29. Juni 2023. https://www.iter.org/newsline/-/3727

[6] AFP 2023, Internationales Kernfusionsprojekt könnte sich um Jahre verzögern, gibt sein Leiter zu, The Guardian, abgerufen am 29. Juni 2023. https://www.theguardian.com/science/2023/jan/06/french-nuclear-fusion-project-may-be-delayed-by-years-its-head-admits

[7] Der ITER Tokamak, ITER, abgerufen am 29. Juni 2023. https://www.iter.org/mach

[8] Magnet Feeder System, China International Fusion Energy Program Executive Center, abgerufen am 29. Juni 2023. https://www.iterchina.cn/ctkx/info/2018/12024.html

[9] Intellectuals 2017, Die Geschichte der internationalen Zusammenarbeit beim superleitenden Super Collider, Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, abgerufen am 29. Juni 2023. https://ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201705/t20170504_4783471.html

[10] Joy W 2021, Der superleitende Supercollider: Wie Texas zum ehrgeizigsten wissenschaftlichen Projekt der Welt kam und warum es scheiterte, WFAA, abgerufen am 29. Juni 2023. https://www.wfaa.com/article/features/originals/forgotten-texas-history-superconducting-super-collider-waxahachie-texas/287-8757cc57-44ff-4982-a382-65d5d7893c3f

[11] Bishop B 2022, Lawrence Livermore National Laboratory achieves fusion ignition, LLNL, abgerufen am 29. Juni 2023. https://www.llnl.gov/news/lawrence-livermore-national-laboratory-achieves-fusion-ignition

[12] 2022, Durchbruch einer 1-Megaampere-Entladung, die Forschung der neuen Generation „künstlicher Sonne“ meines Landes hat neue Fortschritte gemacht, People's Daily Online, abgerufen am 29. Juni 2023. http://finance.people.com.cn/n1/2022/1021/c1004-32549176.html

[13] Xu Qimin 2023, 403 Sekunden neuer Rekord, wie Chinas „künstliche Sonne“ erreicht wurde, Wenhui Daily, abgerufen am 29. Juni 2023. https://www.cas.cn/cm/202304/t20230414_4884009.shtml

[14] Gardner T 2023, US announces $46 million in funds to nuclear eight fusion companies, Reuters, abgerufen am 29. Juni, https://www.reuters.com/business/energy/us-announces-46-million-funds-eight-nuclear-fusion-companies-2023-05-31/

Autor: Maya Blue Popular Science Creator

Gutachter: Luo Huiqian, Associate Researcher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften