ITER

Logo des ITER

ITER (Apronym: englisch für International Thermonuclear Experimental Reactor, lateinisch für Weg) ist ein im Bau befindlicher Kernfusionsreaktor, mit dem notwendige Erkenntnisse auf dem Weg zu vielleicht möglichen Fusionskraftwerken gewonnen werden sollen. Der Reaktor mit vielfältigen Installationen zur Plasmaheizung und -diagnostik basiert auf dem Tokamak-Konzept.

Er wird im Vergleich zu seinem Vorgänger JET wesentlich größer und mit supraleitenden Magnetspulen ausgestattet. Das erste Plasma soll 2020 erzeugt werden, ab 2027 sind Experimente mit Deuterium und Tritium vorgesehen. Mit ITER sollen Brenndauern von bis zu einer Stunde realisiert werden. Dabei soll eine thermische Leistung von rund 500 Megawatt erreicht werden bei einer Heizleistung von etwa 50 Megawatt. ITER wird jedoch keinen Strom produzieren und auch kein vollständiges Lithium-Blanket zum Erbrüten von Tritium haben. Falls sich mit ITER und parallel durchgeführter Werkstoffforschung (IFMIF) zeigen sollte, dass das Tokamak-Design in den Gigawatt-Bereich vergrößert werden kann, soll das Nachfolgeprojekt DEMO ab etwa 2040 Strom ins Netz einspeisen und einen geschlossenen Tritium-Kreislauf demonstrieren. Ein Erfolg der ITER-Experimente ist also nicht nur Voraussetzung für DEMO, sondern auch für eine verlässlichere Abschätzung, ob Stromerzeugung mit Fusionsenergie wirtschaftlich sein kann.

ITER wird im Forschungszentrum Cadarache 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 seit 2004 nicht mehr dabei. Zwischen der internationalen Atomenergiebehörde (IAEA) und dem ITER-Projekt wurde 2008 eine Zusammenarbeit auf Expertenebene vereinbart. Frankreichs Ex-Staatspräsident Jacques Chirac bezeichnete das Vorhaben als das größte Wissenschaftsprojekt seit der Internationalen Raumstation.

Physikalisch-technische Grundlagen

→ Hauptartikel: Kernfusion

Deuterium-Tritium-Fusion

In der Sonne und anderen Sternen wird bei der Kernfusion das häufigste Wasserstoffisotop Protium (¹H) in mehreren Schritten zu Helium verschmolzen. Diese Fusionsprozesse laufen hauptsächlich nach der Proton-Proton-Kette ab, zu einem kleinen (FICKEN)Prozentsatz auch nach dem Bethe-Weizsäcker-Zyklus. Dabei setzt ein Gramm Wasserstoff etwa dieselbe Menge an Energie frei wie die Verbrennung von acht Tonnen Erdöl oder elf Tonnen Kohle.

Bei ITER so wie auch bei allen anderen Techniken und Versuchen, die Kernfusion auf der Erde als Energiequelle zu nutzen, werden die wesentlich selteneren Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium verwendet:

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

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 der Reaktoranlage aus dem reichlich vorhandenen Element Lithium zu erbrüten (siehe Blanket).

Technik

ITER funktioniert nach dem Tokamak-Prinzip. Der Reaktor wird zunächst ohne Fusionsreaktionen mit einem Plasma aus normalem Wasserstoff arbeiten, um dessen Stabilität zu optimieren; das ist erstmals für Ende 2020^[veraltet] vorgesehen. Mit Zusatz von Helium zum Plasma kann der Divertor bereits in dieser Phase optimiert werden. Der Betrieb mit Deuterium und Tritium ist erst ab 2027 geplant.

In das evakuierte toroidale Plasmagefäß werden einige Gramm Gas eingelassen und sehr stark erhitzt, so dass alle Atome ionisiert werden, also ein Plasma bilden. Das Plasma wird zusammengepresst von einem starken Magnetfeld, das mit Hilfe von supraleitenden Spulen erzeugt wird. Da das Plasma elektrisch leitend ist, kann darin durch zeitliche Änderung des Magnetfelds nach dem Prinzip des Transformators ein elektrischer Strom induziert werden. Dieser trägt wiederum mit seinem eigenen Magnetfeld zum Einschluss des Plasmas bei und bewirkt außerdem weitere Aufheizung. Diese Einschlussmethode erlaubt es, ein Plasma genügender Dichte so stark aufzuheizen, dass die Fusionsreaktion zündet. Die dabei entstehenden schnellen Neutronen tragen etwa 80 % der Fusionsleistung aus dem Plasma fort und geben den größten Teil davon im Blanket als Wärme ab, die im Fall von ITER aber nicht verwertet wird. Zur intensiven Kühlung der Blankets und der Gefäßwand dient Heliumgas, das in zukünftigen Kraftwerksreaktoren eine Turbine zur Stromerzeugung antreiben soll. Die restlichen 20 % der Fusionsleistung treten als Rückstoßenergie der in der Reaktion entstandenen Helium-4-Atomkerne auf; sie wird an das Plasma abgegeben und trägt erheblich zu dessen Heizung bei. Mit einer zusätzlichen äußeren Heizleistung von etwa 50 Megawatt (MW) „brennt“ das Plasma kontinuierlich weiter. Das Magnetfeld muss Geometrie und Einschluss des Plasmas aufrechterhalten. Es soll eine etwa 10-fache Leistungsverstärkung, also eine Fusionsleistung von etwa 500 MW erreicht werden. Damit ITER als erfolgreich gilt, muss dieser Zustand 400 Sekunden lang stabil bleiben. In einem anderen Betriebsmodus sind Brenndauern von bis zu einer Stunde vorgesehen bei einer Leistungsverstärkung von mindestens 5. Kurzzeitig soll eine Leistungsverstärkung von über 30 erprobt werden, wie sie für kommerzielle Reaktoren vorgesehen ist. Ein Divertor führt das erzeugte Helium und die aus der Gefäßwand herausgeschlagenen Atome ab. Für die Erprobung der Blankettechnologie zur Neutronenvermehrung durch Beryllium und Gewinnung von Tritium aus Neutronen und Lithium sind drei Testflansche vorgesehen, an denen gleichzeitig sechs verschiedene Konstruktionen getestet werden können.

Schnitt durch den Reaktor des ITER. Rechts unten eine Person

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

ITER (Frankreich)

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 %), wovon Frankreich 40 % aufbringt (2/11 der Gesamtkosten). 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.

Die Errichtung sollte zunächst gut 5,5 Mrd. Euro kosten (5,896 Mrd. EUR in Preisen des Jahres 2008). Schon im Juni 2008 mehrten sich Stimmen, die eine deutliche Kostensteigerung ankündigten. 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.

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. Die EU deckelte daraufhin ihren Anteil bei 6,6 Milliarden Euro. Sie will die Kostensteigerungen durch Umschichtungen aus dem Agrar- und dem Forschungsetat decken.

Im September 2013 beantwortet die deutsche Bundesregierung eine kleine Anfrage von grünen Politikern zur Finanzierung von ITER mit der generellen Feststellung, dass die Bundesrepublik Deutschland nicht unmittelbar an der Finanzierung beteiligt ist, da die Finanzierung von ITER über die europäische Atomgemeinschaft erfolgt.

Projekthistorie

Initiierung durch die Sowjetunion

ehemaliges Logo

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. Die Planungen begannen 1988 im deutschen Max-Planck-Institut für Plasmaphysik und führten 1990 zu einem ersten Entwurf des Versuchsreaktors. Bis 1998 wurden die Eckdaten mit 8,1m Torusdurchmesser und 1500 MW Fusionsleistung ausgearbeitet.

ITER-Vertrag

Nachdem der ursprüngliche Entwurf in eine kleinere (500 MW), kostenreduzierte Version von ITER mit geringeren technischen Anforderungen gewandelt wurde, gaben die teilnehmenden Parteien 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. Die Betriebskosten über die geplante Laufzeit des Reaktors von 20 Jahren werden ähnlich hoch sein. Am 21. November 2006 wurde in Paris der ITER-Vertrag von den sieben 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.

Organisation

Jeder der sieben Partner richtet 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 (IEK-4) am Forschungszentrum Jülich und verschiedene Institute des KIT. Weitere wissenschaftliche Zentren liegen in San Diego (USA) und Naka (Japan).

Ein organisatorisches Problem besteht darin, dass jeder der sieben Projektpartner versucht, die Design-Vorgaben der Zentrale ein wenig zu modifizieren, um Geld zu sparen und der eigenen Industrie entgegenzukommen.

Baumaßnahmen

Anfang 2007 begannen die Vorbereitungen für den Bau. Es dauerte zwei Jahre die 42 Hektar große Plattform zu erstellen, auf der im Jahre 2009 der eigentliche Bau begann. Ende 2011 wurde mit der Poloidal Field Coils Winding Facility das erste Gebäude auf der ITER-Plattform fertiggestellt. Hier werden in Zukunft die großen Magnetspulen konstruiert.

Anfang 2013 waren das Fundament und die schwingungsdämpfenden Sockel für die Bodenplatte des Reaktorgebäudes, sowie die Gebäude des Kontroll- und Verwaltungszentrums fertig.

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

Weblinks

Commons: ITER – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• ITER. The ITER Organization, abgerufen am 3. August 2008 (englisch, offizielle Homepage des Projekts). 
• ITER Video. ITER Construction Video, abgerufen am 17. Dezember 2013 (englisch, Film über den Bau von ITER). 
• 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. 

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