Forschen für die
Energie der Zukunft

Geschichte der Fusionsforschung

Fusion ist der häufigste Prozess in dem uns bekannten Universum und das Energieprinzip der Sonne und anderen Sterne. Die wissenschaftlichen Zusammenhänge und physikalischen Grundlagen der Kernfusion rückten jedoch erst in den 1920ern in den Fokus der Forscher. Damals fand der britische Astrophysiker Arthur Eddington heraus, dass Sterne ihre Energie aus der Fusion von Wasserstoff zu Helium beziehen. Eddington veröffentlichte diese Theorie erstmals im Jahr 1926 in seinem Buch Der innere Aufbau der Sterne und legte damit den Grundstein für die moderne theoretische Astrophysik.

1920-1930: Erweitertes Verständnis der Sterne und Atome

Ausgehend von  Eddingtons Forschungspapier stellten Robert d'Escourt Atkinson und Fritz Houtermans die ersten Berechnungen der Kernfusionsrate in Sternen auf. Gleichzeitig erforschte Ernest Rutherford die Struktur des Atoms. Mit seinem berühmten Experiment von 1934 zeigte Rutherford die Fusion von Deuterium zu Helium und beobachtete, dass während des Prozesses „ein enormer Effekt“ hervorgerufen wurde. Sein Schüler Mark Oliphant führte das Experiment mit verbesserter Ausrüstung durch und benutzte Deuterium anstelle von Wasserstoff.

So entdeckte er Helium-3 und Tritium und zeigte, dass schwere Wasserstoffkerne dazu gebracht werden können, miteinander zu fusionieren. Damit hatte Oliphant zum allerersten Mal einen Fusionsprozess im Labor demonstriert. Diese Erkenntnisse wurden durch die Arbeit von Hans Bethe zur stellaren Nukleosynthese verknüpft. In dieser beschrieb er, dass die Sonne und die Sterne durch Proton-Proton-Kettenreaktionen Energie freisetzen.


1950er: Entwicklung der ersten Fusionsreaktoren

In den 1950ern begannen die Forscher nach Möglichkeiten zu suchen, wie sich der Fusionsprozess der Sonne auf der Erde replizieren lassen könnte. Die sowjetischen Wissenschaftler Andrei Sakharov und Igor Tamm legten 1950 den Entwurf für ein Gerät vor, das magnetischen Einschluss nutzt, der Tokamak war geboren. 1951 folgte Lyman Spitzers Konzept für den Stellarator. Das Stellarator-Konzept dominierte die Fusionsforschung in den 1950ern, verlor jedoch an Einfluss, als der sowjetische Wissenschaftler Lev Artsimovich in Experimenten zeigte, dass der Tokamak der effizientere Reaktortyp ist.


1970-1980: Design von JET und Anfänge von ITER

In den 1970ern wurde deutlich, dass die Erzeugung von Fusionsenergie die Wissenschaft vor eine ihrer größten Herausforderungen stellen würde, die nur mit vereinten Kräften gemeistert werden könnte. 1973 schlossen sich europäische Länder zusammen und begannen mit der Entwicklung des Joint European Torus, kurz JET. 1977 gab die Europäische Kommission grünes Licht für das Projekt. Culham, in der Nähe von Oxford in Großbritannien, wurde als Standort für JET ausgewählt. Der Bau der Anlage wurde 1983 termingerecht und im geplanten Kostenrahmen abgeschlossen. Im selben Jahr wurden erfolgreich die ersten Plasmen produziert. Seither repräsentiert JET das weltweit größte Experiment mit magnetischem Plasmaeinschluss.

Und während sich in den Achtzigerjahren allmählich der Fall des Eisernen Vorhangs ankündigte, wurde im November 1985 auf einem Gipfeltreffen in Genf die Entwicklung von ITER angestoßen.  Die Idee eines internationalen Kooperationsprojekts zur Entwicklung von Fusionsenergie für friedliche Zwecke stammt von Michail Gorbatschow, dem damaligen Generalsekretär der Sowjetunion. Dieser unterbreitete den Vorschlag dem damaligen US-Präsident Ronald Reagan.

Beginn der internationalen Bemühungen im Bereich Fusionsenergieforschung: US-Präsident Reagan und der sowjetische Generalsekretär Gorbatschow auf der Genfer Gipfelkonferenz 1985.
Bild: By White House Photo Office [Public domain], via Wikimedia Commons, tinyurl.com/zcfxggo

 


1990–2000er: JET stellt Weltrekord auf und ITER findet ein Zuhause

Die ersten Experimente mit Tritium wurden in JET durchgeführt. Damit war JET der erste Reaktor der Welt, der mit einer 50:50-Mischung aus Tritium und Deuterium betrieben wurde. 1997 stellte JET mit diesem Brennstoff den aktuellen Weltrekord auf: Der Reaktor erreichte eine Fusionsleistung von 16 MW aus einer eingespeisten Heizleistung von 24 MW. Gleichzeitig wurde ein Weltrekord-Wert des sogenannten Q-Faktors für den Energiebetrag erreicht: Q = 0,67. Der Break-even-Punkt von Q liegt bei 1. Um Fusionsenergie zu erzeugen, muss Q diesen Wert übersteigen. Ziel von ITER ist es, ein Q von 10 zu erreichen. 2005 einigten sich die ITER-Mitglieder darauf, ITER in Cadarache zu errichten. Im November 2017 wurde im Projekt ITER der ´50 Prozent Meilenstein´ erreicht: Die Hälfte der Arbeiten bis zum ersten Plasma in ITER war abgeschlossen.

JET stellt Weltrekord auf

Q = 0.67