USA will an ITER festhalten

Ende letzten Monats hat das US Department of Energy (DOE) dem Kongress empfohlen, ITER bis 2018 weiter zu unterstützen. Danach sollte dann eine Re-Evaluierung des Projektes erfolgen um im Detail zu prüfen, ob die auf den Weg gebrachten Reformen des ITER-Managements auch grundlegend gegriffen haben.

Die USA und ITER haben ein etwas kompliziertes Verhältnis: Bereits mehrfach hat der Senat einen Ausstieg aus dem ITER-Projekt vorgeschlagen, nur um diesen Vorschlag dann in Verhandlungen mit dem Repräsentantenhaus, das ITER eher positiv gegenüber steht, wieder zurück zu ziehen. Auch in den amerikanischen Fusionslabors sorgen die Diskussionen um ITERs Kostenentwicklungen gelegentlich für nervöse Laborleiter, teilen diese sich doch ihr Budget mit dem von ITER. Warum empfiehlt das DOE also jetzt eine weitere Finanzierung von ITER?

Sonne mit Merkur

Abbildung 1: Sonne, früher Fusionsreaktor, mit Merkur und Sonnenfleckengruppe AR 2542 (Bild: Alf Köhn, CC BY-SA)

Dafür ist vor allem das neue Management in Person von Bernard Bigot verantwortlich. Bigot ist seit März 2015 neuer Direktor nachdem es in einem externen Gutachten über das ITER-Projekt einige Kritik an dem Management gab (siehe dazu auch meinen Artikel hier). Das DOE erkennt substantielle Verbesserung und ist der Meinung, dass ITER nach wie vor der beste Kandidat sei, erstmals ein Fusionsplasma zu erzeugen, in dem mehr Energie freigesetzt wird, als zur Erzeugung desselben aufgewendet wurde. Große Forschungsprojekte wie ITER haben vor allem ein Problem, nämlich dass sie langfristige Finanzierungsperspektiven brauchen, die manchmal etwas schwer zu vermitteln sind. 2018 sollte eine Neubewertung erfolgen um über die weiteren Unterstützung von ITER zu entscheiden. Dann wird vor allem der Zeitplan kritisch hinterfragt werden. Auch die Möglichkeit eines separaten ITER Budgets, also losgelöst vom nationalen Fusionsprogramm, könnte dann erörtert werden.

ITER Baustelle

Abbildung 2: ITER Baustelle, Blick auf den zukünftigen Standort des Tokamaks, aufgenommen am 12. Mai 2016 (Bild: ITER Organization)

Könnte ITER einen Ausstieg der USA überleben? Sehr wahrscheinlich ja, da die USA mit einem Anteil von 9 % an den Gesamtkosten keinen allzu großen Beitrag leisten. Während der Bauphase trägt die EU mit ca. 45 % den größten Teil der Kosten, die restlichen Partner (China, Indien, Japan, Russland, Süd Korea und die USA) tragen jeweils ca. 9 %. Schmerzen würde da schon eher der Verlust der amerikanischen Fusionsforscher, so Bernard Bigot in einer Anhörung Anfang Mai. In der Tat haben viele meiner Kollegen (mich eingeschlossen) recht intensive Kontakte nach Übersee. Da die Fusionscommunity relativ klein ist, wäre ein solcher Verlust fachlich nur schwer zu kompensieren. Zu erwähnter Anhörung hatten Entscheidungsträger des DOE im Vorfeld geladen, um sich einen Überblick über die Fusionsforschung in den USA im allgemeinen, vor allem aber über den Fortschritt von ITER nach dem Managementwechsel zu verschaffen.

ITER, technische Zeichnung

Abbildung 3: ITER, technische Zeichnung, man beachte die Person rechts; Vorsicht beim Draufklicken, große Datei (Bild: ITER Organization)

In dieser Anhörung bekräftigte Bigot noch einmal, dass er an das aktuelle Datum für das erste Plasma im Jahre 2025 glaubt. Es werde allerdings noch eine weitere Erhöhung des Budgets geben, die man flexibel gestalten könne: verschiebt man das erste “echte” Fusionsplasma, also ein Plasma mit Deuterium und Tritium als Brennstoff nach hinten, lassen sich die Kosten für einige der nur dafür benötigten Komponenten etwas reduzieren bzw. realistischer abschätzen. Zur Erinnerung, Deuterium und Tritium sind Isotope des Wasserstoffs, welche insgesamt die höchste Wahrscheinlichkeit für Fusion bei relativ “geringen” Temperaturen von 100 Mio Kelvin bieten. Das “gering” meint dabei, dass solche Temperaturen bereits routinemäßig in Fusionsexperimenten erreicht werden. Die Budgeterhöhung wird laut Bigot bei ca. 4 Mrd. Euro liegen, die sich auf die Partnerländer aufteilt. Dieser Wert könne aber, wie gesagt, durch einen angepassten Zeitplan nach unten korrigiert werden.

Die komplette Anhörung vom 24. April gibt es auch zum Anschauen:

Den 17-seitigen Bericht des DOE an den Kongress gibt es ebenfalls zum Nachlesen.

Eine andere Art auf den verzögerten Zeitplan zu reagieren, führt China vor: dort will man einfach noch zusätzlich sein eigenes ITER-artige Projekt starten, den Chinese Fusion Engineering Testing Reactor (CFETR). Baubeginn soll 2020 sein, Experimentierbeginn 2030. Die Fusionsleistung wird mit 200 MW etwas geringer sein als bei ITER, dafür gibt es 2040 dann ein Upgrade auf 1 GW und spätestens in den 2060er Jahren soll dann die Konstruktion des ersten Kraftwerkprototypen fertig sein. Aktuell arbeiten bereits 150 Physiker & Ingenieure an dem Projekt, die endgültige Finanzierungszusage von Seiten der chinesischen Regierung steht aber noch aus. Ein zweifelsohne ambitioniertes und spannendes Projekt, das die chinesische Fusionscommunity noch enger mit der restlichen Community zusammenbringen wird, denn eines ist klar: ohne internationale Zusammenarbeit ist ein solches Projekt nur schwer denkbar!

 

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Alf Köhn hat in Kiel Physik studiert und an der Uni Stuttgart am Institut für Plasmaforschung promoviert. Momentan ist er als Post-Doc am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching tätig und beschäftigt sich dort überwiegend mit der Wechselwirkung von Plasmen und elektromagnetischen Wellen.

10 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Iter jetzt abzubrechen ist zweifellos falsch. Sich für Jahrzehnte an ein Grossprojetk wie Iter zu binden war aber auch falsch. Man hätte statt dessen alle 5 Jahren einen Klein-Tokamak mit den jeweils zum Bauzeitpunkt stärksten errreichbaren Magnetfeldern bauen können. In 20 Jahren wären dann 4 Tokamaks gebaut worden und alle zusammen hätten gleich viel gekostet wie der ITER nun kosten wird. Man könnte auch sagen: Jeder der 4 Klein-Tokamaks hätte die Hälfte dessen gekostet was für den ITER ursprünglich als Ganzes an Kosten geplant war, denn diese Kosten werden sich wohl gegenüber dem ursprünglichen Kostenansatz verdoppeln.

    • Und hätten uns die 4 kleinen Tokamaks auch alle die Erkenntnisse geliefert die man sich von Iter erwartet?
      Ich denke irgendwann muss man groß bauen.

      Das eigentliche Problem war aber ein ganz anderes. Totales Missmanagement. Und das Aufsichtsgremium dafür sitzt in Moskau. Man hätte das Geld auch direkt verbrennen können. Hätte schneller Energie erzeugt.

      • Je grösser ein Projekt, desto grösser die Wahrscheinlichkeit von Missmanagement. Allein das spricht schon gegen ITER. Der allerwichtigste Punkt aber ist folgender: Die Einschlussfähigkeit eines Tokamak hängt mit der vierten Potzen von der Stärke des einschliessenden Magnetfeldes ab und die maximale Magnetfeldstärke von Grossmagneten nimmt jedes Jahr zu.
        Schon mit der heutigen Technologie ist ein Tokamak im Stile des ARC möglich, eines MIT-Designs, das bei halber Grösse und 1/4 so grossem Volumen die gleiche Fusionsleistung wie der ITER erbringt aber nur einen Bruchteil davon kostet.

        • Lieber Martin,

          ja, man hätte auch mehrere “kleine” Tokamaks bauen können und sich so langsam zu ITER hin-iterieren (kleines Wortspiel am Abend muss drinn’ sein 😉
          Jedenfalls ist es aber so, dass die Größe von ITER auf Skalierungsgesetzen beruht (die aus 40-50 Jahren Experimentiererfahrungen mit Tokamaks stammen). ITER ist eben genauso designt, dass man eine Fusionsleistung von 500 MW und ein Q, also ein “Verstärkungsfaktor”, von 5-10 erreichen will. “So designt” meint dabei die Größe, also den Radius und das Volumen, und das Magnetfeld.
          Wären mehr finanzielle Mittel vorhanden gewesen, hätte man parallel zu ITER einige “kleinere” Tokamaks designen können, die alle für sich keine positive Energiebilanz haben, aber wichtige Teilaspekte untersuchen.
          Als entscheidenden Schritt wollte man jetzt aber zur positiven Energiebilanz gehen. Daher ITER in der aktuellen Größe. Insofern hat tobmat völlig recht, irgendwann muss man groß bauen.

          Sie sprechen da noch einen anderen Punkt an, tobmat, und zwar das Iter Council. Ich vermute mal, dass sich Ihre Kritik eher auf das alte Management bezog. Bernard Bigot hat hier aber bisher einiges geleistet in dem er einige strukturelle Änderungen auf den Weg brachte und Entscheidungsprozesse optimierte.
          Aber vielleicht habe ich Sie auch falsch verstanden…?

          Martin, Sie haben mit dem ARC-Konzept noch einen anderen Punkt angesprochen. Dieses Konzept ist in der Tat interessant, hat aber auch Probleme: Zum einen ist da das tatsächliche Bauen von großen Spulen (im Plural, also möglichst baugleich) aus dem Hochtemperatursupraleiter (REBCO). Dann ist der Wärmeabfluss problematisch, da man ja hier ein kleines Volumen hat, also pro Fläche relativ hohe Belastungen – vor allem wenn man das Konzept auf einen Reaktor hochskaliert. Für die Wand des Vakuumgefäßes gilt mit dem Neutronenfluss entsprechendes.
          Nun aber zur Skalierung mit der 4. Potenz: Das ist ein wenig getrickst, da die Fusionsleistung zusätzlich noch mit dem Quadrat des Plasmabetas skaliert, was wiederum im Nenner die Magnetfeldstärke “versteckt” hat. Nichtsdestotrotz ist das eine interessante Studie wie ich finde und ich hoffe die Kollegen vom MIT bekommen die Möglichkeit ihre Vorhersagen am Experiment zu testen. Aber eben nicht zu Lasten von Experimenten, deren Design auf einer soliden Datenbasis beruht, wie zum Beispiel ITER. Daher darf man den ARC auch nicht als die Wunderlösung betrachten.

          • Zustimmung: Der nächste Tokamak sollte von der Fusionsleistung her mindestens ein Break-Even erreichen. Doch er muss nicht direkt zu einem Produktionsreaktor hinaufskalierbar sein – denn dafür ist es noch zu früh. Das bedeutet auch, dass ein zu hoher Neutronenfluss und damit eine Wandschädigung nach wenigen Jahren für einen experimentellen Fusionsreaktor kein K.O.-Kriterium ist. ARC ist für Experimente sogar deutlich besser geeignet als ITER; denn bei ARC können die Wandelemente ausgetauscht werden ohne dass man den gesamten Reaktor auseinandernehmen muss.
            ITER mag auf theoretischer Ebene gut konzipiert sein und sein Design (Zitat) “auf einer soliden Datenbasis beruhen”, aber als experimenteller Reaktor ist er einfach zu gross und zu teuer und ob er wirklich in Betrieb geht halte ich nach wie vor für ungewiss.

          • “Das bedeutet auch, dass ein zu hoher Neutronenfluss und damit eine Wandschädigung nach wenigen Jahren für einen experimentellen Fusionsreaktor kein K.O.-Kriterium ist”

            Wenn das Ziel die Serienreife eines kommerziel nutzbaren Fusions-Reaktors ist, dann ist das aber ein ganz wichtiges K.O.-Kriterium. Iter soll ja genau dieser erste Schritt zur Serienreife sein.

            Daher ist auch sein Design darauf ausgelegt.

            “Doch er muss nicht direkt zu einem Produktionsreaktor hinaufskalierbar sein – denn dafür ist es noch zu früh.”
            Das es zu früh ist, ist ihre Behauptung. Das sehen viele Fusionsforscher auf der Welt anders.

            Und selbst wenn ARC besser ist, was ich durchaus für möglich halte, bisher ist ARC nichts weiter als eine Theorie auf Papier. Und die ist noch kein ganzes Jahr alt.
            Iter wird seit 2007 gebaut und die ersten Planungen starteten 1988. Es wird auch noch bessere Modelle als ITER und ARC geben. Aber irgendwann muss man halt mal anfangen.

          • @tobmat: Sie hätten recht mit “Iter soll ja genau dieser erste Schritt zur Serienreife sein.” wenn der Zeitplan eingehalten worden wäre. Doch auch wegen der zu hohen Komplexität und Grösse des Forschungsreaktors ITER verzögert sich nun alles bis in die zweite Hälfte des 21. Jahrhunderts.
            ITER wird nun frühestens 2025 in Betrieb gehen. DEMO, der Nachfolgereaktor, der die Praxistauglichkeit zeigen soll, wird dann sicher nach 2040 in Betrieb gehen und ein Produktionsreaktor noch später.

            Es gibt übrigens auch grundsäztliche Probleme bei der Fusion mittels magnetischem Einschluss von Plasma:
            Die supraleitenden Magnete, die in der Einschluss-Fusion eingesetzt wird, muss auf sehr tiefe Temperaturen abgekühlt werden und das kann mehrere Tage dauern. Zitat Fusion energy goal still elusive, despite progress

            One big issue with the economics of tokamak fusion power is the time required for superconducting toroidal field coils to warm up and cool down, Hirsh said. China’s Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) took about 18 days to cool from room temperature to 4.5K after a December 2006 quench. The Iter cool-down is estimated at roughly 30 days. A 30-day heat up/cool-down outage in a commercial power system “would have a major, negative impact on plant economics”, Hirsh said.

            Folgerung: Sich jetzt auf eine bestimmte Form der Nuklearfusion festzulegen ist falsch. Es sollten viel mehr der vielen Optionen – darunter vor allem die Laserfusion, diePlasma Jet Driven Magneto-Inertial Fusion und die Magnetized Liner Inertial Fusion (MagLIF) – weiter vorangetrieben werden anstatt sich nun auf das Tokamak/Stellarator-Prinzip zu versteifen.

          • Der Hauptgrund für die Verzögerung bei ITER liegt eher in der Struktur des ganzen Projektes selber: die Idee ist ja, dass jeder der Teilnehmer nachher in der Lage ist, alles selber auch zu bauen. Alle Teilnehmer sollen von ITER profitieren. Das heißt, dass beispielsweise ein Teil des Vakuumgefäßes in Korea gefertigt wird und einer in der EU. Organisatorisch bedeutet das natürlich einiges an Mehraufwand, aber dahinter steht eben eine schöne politische Idee.

            Ich denke auch, dass man sich mehrere Optionen offen halten sollte wenn möglich – wie zum Beispiel die kontinuierliche Erforschung des Stellarators hier in Deutschland (der sich in einigen Aspekten deutlich vom Tokamak unterscheidet). Wie gesagt, auch ARC ist ein interessantes Konzept, was aber eben nur auf dem Papier existiert. Die teilweise sehr optimistischen Annahmen, welche dem Konzept zugrunde liegen, müssen erst noch erfolgreich im Labor umgesetzt werden. Eben deswegen ist es auch falsch, alles stehen und liegen zu lassen und sich voll und ganz auf das ARC-Konzept (oder ein anderes) zu stürzen. Aber da scheinen wir hier ja einer Meinung zu sein 🙂

          • “Sich jetzt auf eine bestimmte Form der Nuklearfusion festzulegen ist falsch.”

            Es hat sich doch auch niemand festgelegt. Wie kommen sie darauf?
            Als Beispiel hier das Projekt Wendelstein 7-X das 1 Milliarde € kostet. Die Fusionsforschung ist sehr viel umfangreicher und vielfältiger als ITER.

  2. @Zitat tobmat:“Es hat sich doch auch niemand festgelegt [auf ITER]. Wie kommen sie darauf?” Wenn die USA und die EU fast alles Geld für die Fusionsforschung in den ITER stecken, haben sie sich festgelegt.Wegen dem grossen Anteil des ITER am Energie-Forschungsbudget will ja der US-Senat kein Geld mehr in den ITER stecken. Der zuständige US-Senator Lamar Alexander sagt dazu:;

    Alexander said the budget would put the United States on the path to doubling spending on basic energy research—presumably meaning the DOE science program minus ITER, which could cost the United States a total of $4 billion or more. “Doubling basic energy research at the Department of Energy is one of the most important things we can do to unleash our free-enterprise system to provide cheap, clean, reliable energy,” he said.

    Wie die Web-Site US-Iter aufzeigt arbeiten 500 US-Firmen und mehrere Universitàten für den ITER und haben bis Dezember 2015 800 Millionen US-Dollar erhalten. Dagegen ist nichts einzuwenden, wenn auch andere Fusionsexperimente entsprechende Unterstützung erhalten. Nach dem was ich gelesen habe, erhalten aber andere vielversprechende Fusionsforschungsansätze gerade mit der Begründung, der ITER stehe momentan im Fokus, wenig Unterstützung in den USA. Die USA gaben während den 1980er Jahren noch 1 MIlliarde US-Dollar für die Fusionsforschung (magnetischer Einschluss) aus. Heute sind es noch 350 Million US-Dollar, wobei jetzt mehr als 100 Millionen pro Jahr an den ITER geht.
    Es gibt in den USA aber auch ein Programm für die Laserfusion (NIF, Omega) und sehr wenig Geld wird auch in die vielversprechende Plasma Jet Driven Magneto-Inertial Fusion (PJMIF) gesteckt.

    Die EU-Länder geben praktisch alles Geld, das in die Fusionforschung gesteckt wird, für den ITER aus.

    In den USA gibt es neben der staatlichen Fusionsforschung auch noch mehrere private Firmen, die in der Erforschung der nuklearen Fusion engagiert sind und die ihr Geld von Silicon-Valley-Miiliardären wie Jeff Bezos, Paul Allen und Peter Thiel erhalten. In den USA wird mehr Geld von Privaten in die Erforschung der nuklearen Fusion gesteckt als in neue Generationen von Kernspaltugnsreaktoren.

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