ITER

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ITER (englisch International Thermonuclear Experimental Reactor) ist ein internationales Forschungsprojekt, das den zur Zeit größten und fortschrittlichsten Experimental-Fusionsreaktor baut. ITER soll zeigen, dass es physikalisch und technisch möglich ist, durch Kernverschmelzung Energie zu gewinnen. Das Ziel ist die kommerzielle Nutzung der Kernfusion zum Zwecke der Stromerzeugung, womit jedoch frühestens im Jahre 2050 zu rechnen ist.

Der Reaktor arbeitet nach dem Tokamak-Prinzip und ist der Nachfolger des JET (Joint European Torus). Standort des Reaktors ist Cadarache in Südfrankreich. ITER wird als gemeinsames Forschungsprojekt der sieben gleichberechtigten Partner Europäische Atomgemeinschaft, Japan, Russland, Volksrepublik China, Südkorea, Indien und USA entwickelt, gebaut und betrieben. Die USA waren von 1998 bis 2003 vorübergehend aus dem Projekt ausgestiegen, Kanada ist im Jahre 2004 aus dem Projekt ausgestiegen.

Die Bezeichnung ITER ist ein Apronym. Einerseits ist es die Abkürzung für International Thermonuclear Experimental Reactor, andererseits das lateinische Wort für Weg.

Zielsetzung

Der Deuterium-Tritium-Fusionsreaktor wird im Forschungszentrum Cadarache im Süden Frankreichs zu wissenschaftlichen Zwecken erbaut. Der Reaktor soll die technische Machbarkeit sowie Gebrauchstauglichkeit der Energiegewinnung aus Kernfusion demonstrieren. Den Berechnungen zufolge soll etwa zehnmal so viel Energie aus dem Plasma freigesetzt werden, wie zu dessen Aufheizung und Stabilisierung notwendig ist. Wesentliche Beiträge zur positiven Energiebilanz im Vergleich zu den bisherigen Tokamak-Versuchsanlagen liefern dabei folgende Merkmale:

• Baugröße des Plasmagefäßes, mit der sich höhere Plasmatemperaturen im Inneren erreichen lassen, analog zur in der Zoologie bekannten Bergmannschen Regel.
• Einsatz von supraleitenden Magnetspulen, die nach dem Aufbau des Magnetfeldes nur mehr Energie für die Kühlung, nicht jedoch für das Magnetfeld selbst verbrauchen.
• Anwendung der Deuterium-Tritium-Reaktion unter Verwendung des radioaktiven Tritiums in einem geeigneten Mischungsverhältnis mit Deuterium.

Die während der Betriebsphasen aus dem Plasma freigesetzte Leistung soll im Bereich mehrerer hundert Megawatt liegen, vergleichbar mit herkömmlichen Kraftwerken. Jedoch ist die Versuchsanlage ITER wegen der geplanten, relativ langen Abschaltungen, etwa wegen Umbaupausen, noch nicht zur Lieferung von Nutzenergie geeignet. Ein entsprechendes vollständiges Blanket mit Kühlkreislauf, Dampferzeuger usw. ist daher nicht vorgesehen.

Mit dem Projekt sollen ferner die Hürden aufgezeigt und bewertet werden, die für eine großtechnische und wirtschaftliche Anwendung der Kernfusion noch überwunden werden müssen. In der Testphase soll vor allem die Praxistauglichkeit der Technologien erprobt werden, die dann in dem geplanten nachfolgenden, kommerziell tauglichen Demonstrationsreaktor DEMO (Demonstration Power Plant) zur Anwendung kommen sollen.

Zwischen der internationalen Atomenergiebehörde (IAEA) und dem ITER-Projekt wurde 2008 eine Zusammenarbeit auf Expertenebene vereinbart.^[1] Ex-Staatspräsident Jacques Chirac bezeichnete dieses Vorhaben als das größte Wissenschaftsprojekt seit der Internationalen Raumstation.

Physikalisch-technische Grundlagen

Kernfusion

→ Hauptartikel: Kernfusion

Deuterium-Tritium-Fusion

Wie in der Sonne und anderen Sternen wird bei der Kernfusion Wasserstoff zu Helium verschmolzen. Dabei setzt ein Gramm Wasserstoff etwa dieselbe Menge an Energie frei wie die Verbrennung von acht Tonnen Erdöl oder elf Tonnen Kohle. Auf diesem Effekt beruht auch die enorme Zerstörungskraft der Wasserstoffbombe. Allerdings wird bei dieser die Energie innerhalb sehr kurzer Zeit unkontrolliert freigesetzt, wobei die Kernfusion wiederum durch eine Spaltbombenexplosion („klassische Atombombe“) initiiert wird.

In der Sonne laufen die Fusionsprozesse hauptsächlich nach der Proton-Proton-Kette ab, zu einem kleinen Prozentsatz auch nach dem Bethe-Weizsäcker-Zyklus. Dabei wird das häufigste Wasserstoffisotop Protium (¹H) verschmolzen. Bei ITER jedoch werden, ebenso wie auch bei allen anderen Versuchen, die Kernfusion auf der Erde als Energiequelle zu nutzen (einschließlich der Wasserstoffbombe), die deutlich selteneren Isotope Deuterium und Tritium verwendet:

$\mathrm{T + D =\!^3H +\!^2H \to\!^4He + n + 17{,}6\,MeV}$

Tritium (T) ist aufgrund der kurzen Halbwertzeit von ca. 12,3 Jahren auf der Erde nur in Spuren vorhanden und muss zunächst in Schwerwasserreaktoren vom Typ CANDU gewonnen werden. Im ITER soll eine Technik erprobt werden, Tritium in den Reaktoranlagen aus dem reichlich vorhandenen Element Lithium zu erbrüten (siehe Blanket).

Fusionsreaktor

→ Hauptartikel: Kernfusionsreaktor

Die zivile Nutzung der Kernfusion wird bereits seit Jahrzehnten erforscht. Als größtes Problem erweist sich, dass sich die Wasserstoff-Atomkerne einander extrem stark annähern müssen, um fusionieren zu können. Dem wirkt jedoch die abstoßende elektrische Kraft zwischen den Kernen entgegen. Bei den im Inneren der Sonne vorherrschenden, extrem hohen Drücken reichen Temperaturen von 15,6 Millionen Grad Celsius aus, um die Fusion einzuleiten und in Gang zu halten. Ein vergleichbarer Druck kann mit technischen Mitteln auf der Erde jedoch bei weitem nicht erzeugt werden. Bei den im Reaktor herrschenden niedrigeren Drücken liegt die Zündtemperatur bei über 150 Millionen Grad Celsius.

In der Sonne findet eine Fusion von normalem Wasserstoff (siehe Proton-Proton-Zyklus) statt. Für die technische Fusion auf der Erde ist man jedoch gezwungen, die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium zu verwenden, da nur deren Reaktion bei den erreichbaren Temperatur- und Druckwerten genügend Energie freisetzt, um einen fortlaufenden Prozess in Gang zu halten. Hierfür muss zu technisch sehr anspruchsvollen Lösungen gegriffen werden (siehe Hauptartikel).

Entgegen einem weit verbreiteten Missverständnis wird der Reaktor bei einem Ausfall des Magnetfeldes nicht durch die enormen Temperaturen zerstört. Der Kontakt mit der Gefäßwand verunreinigt vielmehr das hoch verdünnte Plasma und lässt es sofort auskühlen. Beim ITER verteilen sich 0,5 Gramm Plasmamaterial auf ein Volumen von 837 Kubikmeter. Das entspricht der Dichte eines Hochvakuums.

Für das Kühlen der Magnete sowie das Halten und Erhitzen des Plasmas bis zum Einsetzen des Fusionsprozesses werden große Energiemengen benötigt. Ist der Prozess in Gang gekommen, wird ein Großteil der Heizleistung durch die kinetische Energie (Bewegungsenergie) der entstehenden Heliumkerne gedeckt (siehe Kettenreaktion). Bei den bisherigen Experimenten konnte das „Brennen“ des Plasmas nur über eine relativ kurze Zeit von etwa vier Sekunden aufrechterhalten werden. Die durch die Fusion gewonnene Energie entsprach dabei nur einem Teil der eingesetzten Energie. Erzielt wurden 16 Megawatt Leistung des Reaktors bei einer Aktivierungsenergie (Heizleistung) von 20 Megawatt.

Technische Daten

ITER funktioniert nach dem Tokamak-Prinzip. Mit Hilfe von aus Supraleitern bestehenden Magnetspulen wird ein toroidales Magnetfeld erzeugt. In diesem Magnetfeld befindet sich ein Deuterium-Tritium-Plasma, in das nach dem Prinzip des Transformators ein elektrischer Strom induziert wird. Der Strom wirkt seinerseits wiederum durch sein eigenes Magnetfeld auf das Plasma zurück. Diese Einschlussmethode erlaubt es, das Plasma auf genügend hohe Temperatur und Dichte zu bringen, um die Fusionsreaktion zu zünden, die dann als (energetische) Kettenreaktion weiter „brennt“, solange die notwendigen Bedingungen aufrechterhalten werden.

Der Reaktor wird zunächst mit normalem Wasserstoff arbeiten, der Betrieb mit Deuterium und Tritium ist erst für das Jahr 2026 geplant.^[2] Des Weiteren wird die Anlage noch kein vollständiges Brutblanket besitzen, das die emittierte Neutronenstrahlung zur Gewinnung von Tritium aus Lithium nutzt. Die Blankettechnologie soll vielmehr nur bei verschiedenen Testeinsätzen erprobt werden. Die geplante Laufzeit des Reaktors beträgt 20 Jahre.

Schnitt durch den Reaktor des ITER

Zusammenfassung der technischen Eckdaten:

Gesamtradius:	10,7 Meter
Gesamthöhe:	30 Meter
Großer Plasmaradius:	6,2 Meter
Plasmavolumen:	837 Kubikmeter
Masse des Plasmas:	0,5 Gramm
Magnetfeld:	5,3 Tesla
Maximaler Plasmastrom:	15 Megaampere
Heizleistung und Stromtrieb:	73 Megawatt
Fusionsleistung:	rund 500 Megawatt
Energieverstärkung:	rund 10x
Mittlere Temperatur:	100 Millionen Grad Celsius
Brenndauer jedes Pulses:	> 400 Sekunden

Standort

Lage von Cadarache, Frankreich

Seit 2001 wurde über einen Standort für den ITER beraten. Standortbewerbungen kamen aus Frankreich, Spanien, Japan und Kanada. 2005 konkurrierten noch Frankreich mit Cadarache und Japan mit Rokkasho um den Standort. Während die USA, Japan und Südkorea den Standort Rokkasho bevorzugten, stimmten die Europäische Atomgemeinschaft, die Volksrepublik China und Russland für Cadarache. Am 28. Juni 2005 entschieden die beteiligten Staaten, den Versuchsreaktor im französischen Cadarache zu erstellen. Bei der Zustimmung Japans spielten aber nicht nur sachliche Abwägungen, sondern auch außenpolitische Aspekte eine Rolle. Des Weiteren wurden Japan Sonderkonditionen eingeräumt für den Fall, dass der Reaktor in Europa gebaut werden sollte. Bereits im November 2004 hatte der EU-Ministerrat für die EURATOM einstimmig beschlossen, ITER in Cadarache zu bauen, notfalls auch ohne die Beteiligung Japans, Südkoreas und der USA.

Nachdem Japan seine Bewerbung zurückgezogen hatte, einigten sich die Teilnehmer letztendlich auf den Standort Cadarache in Südfrankreich, etwa 35 km nordöstlich von Aix-en-Provence. Am 24. Mai 2006 wurde der Vertrag von den Regierungen aller Projektpartner unterzeichnet. Frankreich verpflichtete sich hierin zu umfangreichen Investitionen in die Infrastruktur wie Straßen, Stromversorgung, Datenleitungen sowie Wohnungen für die zukünftigen Forscher und deren Familien.

Für den Bau des ITER gab es bis 2003 auch eine inoffizielle deutsche Bewerbung mit dem ehemaligen Kernkraftwerk „Bruno Leuschner“ Greifswald in Lubmin bei Greifswald. Damit wären die Anlagen für das weltgrößte Tokamak-Experiment in direkter Nachbarschaft zur Baustelle des weltgrößten Stellarator-Experiments errichtet worden. Der ITER-Förderverband Region Greifswald unter Führung des früheren Ministerpräsidenten Alfred Gomolka reichte 2002 eine vollständige Standortbewerbung bei der Landesregierung Mecklenburg-Vorpommern ein. Diese wurde jedoch vom zuständigen Ministerpräsidenten Harald Ringstorff nicht weitergeleitet. Im Sommer des Jahres 2003 zog Bundeskanzler Gerhard Schröder die Zusage des ehemaligen Kanzlers Helmut Kohl zur Bewerbung um den ITER-Standort zurück. Bis dahin war Lubmin international der erfolgversprechendste Konkurrent, vor allem auch da der nun festgelegte Standort Cadarache in Frankreich ein Erdbeben-Risikogebiet ist, ebenso wie der dritte in Betracht gezogene japanische Standort.

Finanzierung

Am 21. November 2006 unterzeichneten die Projektteilnehmer im Elyséepalast in Paris den endgültigen Vertrag, der auch die Finanzierung des Baus regelt. Teilnehmerstaaten sind neben der Europäischen Atomgemeinschaft (EURATOM) die Staaten China, Indien, Japan, Russland, Südkorea und die USA. Der Vertrag trat am 24. Oktober 2007 in Kraft. Als Ausgleich für die Wahl eines europäischen Standortes wurde Japan ein mindestens zehnprozentiger Anteil an den Aufträgen zur Ausstattung des Reaktors sowie die Förderung japanischer Forschung aus Mitteln der EURATOM zugesagt.

Während der Bauphase trägt die Europäische Union bzw. EURATOM 5/11 der Gesamtkosten (etwa 45 %), wobei 2/11 der Gesamtkosten (etwa 20 %) von Frankreich getragen werden. Die übrigen sechs Projektpartner tragen jeweils 1/11 der Gesamtkosten (etwa 9 %) und stellen damit die verbleibenden 6/11 der Mittel. Ein Teil davon wird von jeder Partei als Sachleistung erbracht, die unabhängig von den endgültigen Kosten der Beschaffung und Lieferung zu erbringen sind. Die Kosten des Betriebs und der Deaktivierung werden zu 34 % von EURATOM getragen.^[3] Die Schweiz beteiligt sich mit einem jährlichen Beitrag von rund 8 Mio. CHF an der europäischen Fusionsforschung. ^[4]

Die Errichtung sollte zunächst gut 5,5 Mrd. Euro kosten (5,896 Mrd. EUR in Preisen des Jahres 2008). Im September 2008 erklärte der stellvertretende ITER-Direktor Norbert Holtkamp auf dem 25. Symposium zur Fusionstechnologie in Rostock, dass die ursprünglich geplanten Kosten um mindestens 10 Prozent steigen würden, eventuell sogar um 100 Prozent. Zurückzuführen sei dies auf die stark gestiegenen Preise für Rohstoffe und Energie sowie teure technische Weiterentwicklungen.^[5]

Im Mai 2010 teilte die Europäische Kommission mit, dass laut einer aktuellen Kostenschätzung ihr Anteil an den Baukosten von ehemals geplanten 2,7 Milliarden Euro auf 7,3 Milliarden Euro steigen wird. Daraus errechnen sich Gesamtkosten in Höhe von 16 Milliarden Euro.^[3] Die EU deckelte daraufhin ihren Anteil bei 6,6 Milliarden Euro. Sie will die Kostensteigerungen durch Umschichtungen aus dem Agrar- und dem Forschungsetat decken.

Projekthistorie

Initiierung durch die Sowjetunion

Bei Gesprächen mit den Präsidenten Frankreichs und der USA, François Mitterrand und Ronald Reagan, wurden 1985 aufgrund eines Vorschlages des sowjetischen Staatschefs Michail Gorbatschow eine Zusammenarbeit bei der Kernfusions-Forschung und der gemeinsame Bau eines Reaktors beschlossen.^[6] Die Planungen begannen 1988 im deutschen Max-Planck-Institut für Plasmaphysik und führten 1990 zu einem ersten Entwurf des Versuchsreaktors.

ITER-Vertrag

Am 21. November 2006 wurde in Paris der ITER-Vertrag von den acht Partnern unter Teilnahme des damaligen französischen Staatspräsidenten Jacques Chirac unterzeichnet. Gleichzeitig fand die erste Sitzung des ITER Interim Council statt. Der Vertrag trat am 24. Oktober 2007 in Kraft, 30 Tage nachdem er vom letzten Vertragspartner China ratifiziert worden war. Des Weiteren richtet jeder der sieben Partner eine eigene nationale Behörde ein, welche die Aufgabe hat, die vertraglichen Verpflichtungen des jeweiligen Landes gegenüber ITER zu erfüllen. Für die Europäische Atomgemeinschaft fällt diese Aufgabe der neu gegründeten Agentur Fusion for Energy – The European Joint Undertaking for ITER and the Development for Fusion Energy mit Sitz in Barcelona zu. Das Aufsichtsgremium ITER-Council hat seinen Sitz in Moskau.

Von deutscher Seite am Projekt beteiligt sind das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching bei München, das Institut für Plasmaphysik (IPP) am Forschungszentrum Jülich und verschiedene Institute des KIT. Weitere wissenschaftliche Zentren liegen in San Diego (USA) und Naka (Japan).

Baumaßnahmen

Die teilnehmenden Parteien gaben am 28. Juni 2005 nach langen Verhandlungen den Startschuss für den Bau von ITER. Der Beschluss umfasst den Bau eines Versuchsreaktors in Cadarache in Südfrankreich für insgesamt knapp 5 Milliarden Euro. Der Bau wurde im Jahre 2009 begonnen, das offizielle Datum für die Inbetriebnahme ist 2018. Der Reaktor soll 20 Jahre lang betrieben werden, wobei die Betriebskosten noch einmal etwa denselben Betrag erfordern werden.

Folgeprojekte

Sollten die Experimente erfolgreich verlaufen und der Beweis erbracht werden, dass Energiegewinnung mittels Fusion machbar ist, soll als Folgeprojekt ein erstes, kommerziell taugliches Fusionskraftwerk namens DEMO (Demonstration Power Plant) gebaut werden, das die Kriterien der Wirtschaftlichkeit erfüllen muss.^[7][8] Mit einem ersten regulären Fusionskraftwerk ist nach jetzigem Stand der Forschung (Stand April 2011) ab 2050 zu rechnen.^[9]

Siehe auch

• Fusion mittels magnetischen Einschlusses – Grundlegendes Konzept von ITER und Wendelstein 7-X
• Trägheitsfusion – Einleiten einer Fusionsreaktion durch den Beschuss mit Laser- oder Ionenstrahlen
• Joint European Torus (JET) – bestehender Versuchs-Fusionsreaktor in Culham, England
• Tokamak – Anlage zum Einschluss von Plasma, Anwendung im ITER
• Stellarator – Anlage zum Einschluss von Plasma, Anwendung im Wendelstein 7-X
• Blanket – Außen- und Brutzone eines Fusionsreaktors
• Elektrostatischer Trägheitseinschluss, Polywell – Konzepte für Fusionsanlagen, die ohne heißes Plasma funktionieren sollen

Literatur

• Daniel Clery: „ITER’s $12 Billion Gamble“, in: Science 314, 2006, S. 238–242. doi:10.1126/science.314.5797.238
• Rüdiger von Preuschen-Liebenstein: „Internationale ITER-Fusionsenergieorganisation: Wegbereiterin der Energieerzeugung durch Kernverschmelzung“ in: atw 2006,S. 622-625
• N. Holtkamp: „An overview of the ITER project“, in: Fusion Engineering and Design 82, 2007, S. 427–434. doi:10.1016/j.fusengdes.2007.03.029

Einzelnachweise

1. ↑ ITER, IAEA sign deal to move nuclear fusion research forward. In: Energy Daily, 13. Oktober 2008. Abgerufen am 8. Mai 2011.
2. ↑ Nuclear fusion power project to start in 2018: official. In: Energy Daily, 18. Juni 2009. Abgerufen am 8. Mai 2011.
3. ↑ ^{a b} Mitteilung der Kommission an das Europäische Parlament und den Rat: ITER: aktueller Stand und Zukunftsperspektiven, Brüssel, 4. Mai 2010, KOM(2010) 226 endgültig. Abgerufen am 8. Mai 2011.
4. ↑ Verlängerung der Kooperation Schweiz – EURATOM im Bereich der Fusionsforschung. Pressemitteilung, Staatssekretariat für Bildung und Forschung, 10. Januar 2007. Abgerufen am 8. Mai 2011.
5. ↑ Milliardenprojekt in Finanznot. Fusionsreaktor Iter wird deutlich teurer. Handelsblatt, 15. September 2008. Abgerufen am 8. Mai 2011.
6. ↑ History and current situation. Abgerufen am 9. November 2011 (englisch). 
7. ↑ Kernfusion wird teurer: Reaktor könnte zehn Milliarden Euro mehr kosten. In: 3sat, 22. November 2001. Abgerufen am 8. Mai 2011.
8. ↑ Europäische Kommission: Kernfusion: ITER richtet sich in Cadarache ein. In: FTE info Nr. 49, Mai 2006. Abgerufen am 8. Mai 2011.
9. ↑ Beyond ITER. Offizielle ITER-Planung von 2008. Abgerufen am 8. Mai 2011

Weblinks

 Commons: ITER – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• ITER. The ITER Organization, abgerufen am 3. August 2008 (englisch, offizielle Homepage des Projekts). 
• EFDA – The ITER Project. European Fusion Development Agreement, abgerufen am 21. April 2011 (englisch). 
• IPP-Projekte: ITER. Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V., abgerufen am 3. August 2008. 
• Forschung für ITER. Forschungszentrum Jülich GmbH, abgerufen am 3. August 2008. 
• International Atomic Energy Agency. Abgerufen am 3. August 2008 (englisch). 

43.68755.7619444444445

Koordinaten: 43° 41′ 15″ N, 5° 45′ 43″ O