Internationale Forschungsinfrastrukturen

ITER: Grösstes Puzzle der Welt wird zusammengeführt

Wer in Frankreich zwischen Aix-en-Provence und Manosque unterwegs ist, kann das auffallend glänzende Bauwerk, in dem sich der tiefblaue Himmel der Provence spiegelt, nicht übersehen. Das Gebäude mit seiner sehr speziellen Architektur beherbergt seit März 2019 eine gigantische Montagehalle und den Komplex, in dem der Versuchsreaktor ITER untergebracht werden soll. Imposante Kräne rollen derzeit von der einen zur anderen Seite der Baustelle und versenken bis zu 1500 Tonnen schwere Bauteile in der Tokamak-Grube. Die Tiefbauarbeiten sind abgeschlossen und die Montage der rund 10 Millionen Puzzleteile, die sich zu einer der momentan grössten Forschungsanlagen zusammenfügen werden, kann beginnen. An diesem multilateralen Grossvorhaben beteiligt sich auch die Schweiz aktiv mit Beiträgen aus Wissenschaft und Industrie.

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Transport des ersten, in Europa gefertigten toroidalen Elektromagneten nach Cadarache. Ein Anhänger mit 342 Rädern befördert die 320 Tonnen schwere Spule. Insgesamt werden 18 Spulen auf dem Tokamak angebracht. Foto: zVg

Die Erwartungen an dieses Vorhaben sind hoch: Mithilfe der Entwicklung entsprechender Technologien, die zur industriellen Nutzung der Kernfusion notwendig sind, soll in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts eine nachhaltige Lösung für den Energieverbrauch einer ökologisch verantwortungsvollen, CO2-neutralen Gesellschaft zur Verfügung stehen.

Energieproblem nachhaltig lösen
Im Gegensatz zur herkömmlichen Kernspaltung verspricht die Kernfusion eine völlig sichere, praktisch unbegrenzte Energiequelle zu liefern. Diese produziert weder CO2 noch hochradioaktive, langlebige Abfälle. Die Herausforderungen sind jedoch enorm: Um eine selbsttragende Fusionsreaktion anzustossen, muss in einer Vakuumkammer ein magnetisch eingeschlossenes Deuterium-Tritium-Plasma mit Brennstoff versorgt und auf 150 Millionen Grad erhitzt werden. Die Elektromagnete, die das notwendige Magnetfeld erzeugen, müssen jedoch auf einer Betriebstemperatur von –193 Grad Celsius gehalten werden!

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Luftaufnahme der ITER-Baustelle im Februar 2020 mit der Montagehalle und dem Tokamak-Komplex. Foto: ITER Organization/EJF Riche

Internationale Zusammenarbeit
Die Europäische Union, China, Indien, Japan, Russland, Südkorea und die USA arbeiten seit 2007 am Bau des ITER-Tokamaks im französischen Cadarache, um damit den Nutzen der Kernfusion für die industrielle Energieproduktion aufzuzeigen. Im Rahmen ihrer Zusammenarbeit mit der Europäischen Union im Forschungs- und Innovationsbereich beteiligt sich die Schweiz von Beginn weg an diesen Bestrebungen und hat dabei den gleichen Status wie ein EU-Mitgliedsland.

Erstes eingefügtes Element
Die offizielle Phase des Zusammenbaus von ITER hat bereits begonnen. Am 15. April 2020 wurde der 1250 Tonnen schwere untere Teil des Kryostats 170 Meter von seiner Bauhalle bis zur Montagehalle befördert und als erstes Element in die Tokamak-Grube eingesetzt. Nach dem Zusammenfügen wird der Kryostat als Hitzeschild dienen und die Bestandteile des Reaktors – trotz der rund 280 Öffnungen von bis zu 4 Metern Breite – von seiner Aussenwelt abschirmen.

Anschliessend wird die Vakuumkammer, in der die Fusionsreaktion stattfinden soll, in den Kryostat eingefügt. Der erste von neun Sektoren, die zusammen diesen Koloss aus 5200 Tonnen Stahl bilden werden, hat am 20. April 2020 die Werkstätten von Hyundai Heavy Industries in Südkorea verlassen und ist nun auf dem Weg zur ITER-Baustelle. Angesichts der geometrischen Komplexität der einzelnen Bauteile, des einzigartigen Verhältnisses zwischen der enormen Grösse und den geringen Fehlertoleranzen sowie der Auflage, strengsten Nuklearstandards zu genügen, ist die Realisierung dieses ersten Sektors ein grosser industrieller Erfolg.

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Verschiebung des unteren Teils des Kryostats – 29 Meter Durchmesser und 1250 Tonnen – in Richtung Montagehalle. Fertig zusammengebaut, wird der Kryostat 30 Meter hoch und 1850 Tonnen schwer sein. Foto: zVg

Hochanspruchsvolle Konstruktion
Aber auch Europa hinkt keineswegs hinterher. Es ist für den Bau von 39 Gebäuden zuständig, die am Standort Cadarache errichtet werden sollen. Bereits die Fertigstellung des Komplexes für den Tokamak war ein bedeutender Etappenerfolg. Gleichzeitig hat das gemeinsame europäische Unternehmen Fusion for Energy, das für den europäischen Beitrag zu ITER zuständig ist, am 17. April 2020 den ersten supraleitenden toroidalen Elektromagneten geliefert. Diese in Italien erbaute, 320 Tonnen schwere Spule wurde in zwölfjähriger Arbeit unter Mithilfe von 700 Beteiligten und 40 Unternehmen fertiggestellt. Auch die Entwicklung der poloidalen Elektromagnete kommt gut voran. Die grössten, die 400 Tonnen wiegen und einen Durchmesser von 24 Metern aufweisen, werden einige Hundert Meter vom Tokamak-Komplex entfernt produziert, und zwar mit supraleitenden Kabeln und enormen Mengen von Epoxidharz, das unter Vakuum in eine Stahlschalung eingespritzt wird.

Erste Experimente voraussichtlich ab 2035
Das Zusammenfügen dieser ausserordentlichen Maschine ist bis ins letzte Detail durchgeplant. Der Zeitplan für die Umsetzung von ITER bietet keinerlei Spielraum: 2025 soll der Betrieb der Anlagen aufgenommen werden, 2035 sind dann die ersten, entscheidenden Fusionsversuche vorgesehen. Bis dann müssen nicht nur Millionen meist einzigartiger Einzelteile gefertigt und schrittweise zusammengebaut werden, sondern es muss auch der Nachweis erbracht werden, dass diese Maschine letztlich eine positive Nettoenergiebilanz ausweist. Ausserdem müssen die notwendigen Technologien entwickelt werden, um eines der ehrgeizigsten Ziele von ITER zu erreichen, nämlich die Produktion von Tritium im Innern des Reaktors. Alle 35 beteiligten Nationen arbeiten gemeinsam auf dieses Ziel hin und setzen alles daran, diese angesichts der Energiewende besonders wichtige Herausforderung zu meistern.

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Der erste Teil der in Südkorea zusammengebauten Vakuumkammer von ITER. Er ist 14 Meter hoch, wiegt 440 Tonnen, weist 1380 Meter Schweissnähte auf und entspricht strengsten Nuklearstandards. Foto: zVg

Schweizer Know-how
Auch die Schweiz beteiligt sich als Mitglied des gemeinsamen europäischen Unternehmens Fusion for Energy aktiv an der Umsetzung von ITER. Über ihre Forschungsinstitutionen und Unternehmen stellt sie bedeutende Kompetenzen und Ressourcen zur Verfügung. Das Swiss Plasma Center an der EPFL und am PSI ist insbesondere für die Qualifizierung sämtlicher supraleitender Kabel zuständig, die bei ITER installiert werden. Es leistet zudem einen Beitrag zur Entwicklung der Heizsysteme und über seinen Variable Configuration Tokamak (TCV) auch zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Geometrie und Leistung der Plasmen. Die Universität Basel erforscht die Wechselwirkungen zwischen Plasma und Innenwänden der Reaktoren. Schweizer Unternehmen liefern zudem hochleistungsfähige Geräte in Bereichen wie Kryotechnik, Supraleitung oder Elektrotechnik.

Finanzielle Beteiligung der Schweiz
Die Finanzierung der Schweizer Beteiligung an ITER ist im Abkommen vom Dezember 2014 über die Beteiligung der Schweiz an den EU-Forschungsrahmenprogrammen 2014−2020 geregelt. Der Beitrag der Schweiz an ITER, der über Fusion for Energy geleistet wird, beläuft sich für das Jahr 2020 auf 13,6 Millionen Franken. Die Weiterführung der Schweizer Beteiligung an diesem einzigartigen Vorhaben ab 2021 wird ein wesentlicher Punkt der anstehenden Verhandlungen mit der EU über die Beteiligung der Schweiz am Paket «Horizon 2021−2027» sein. Dieses Paket umfasst das nächste Forschungs- und Innovationsrahmenprogramm «Horizon Europe», die Programme «Euratom» und «Digital Europe Programme» sowie eben die ITER-Infrastruktur.

Autor

Patrice Soom, SBFI
Wissenschaftlicher Berater Ressort Internationale Forschungsorganisationen

Weitere Informationen

ITER / Fusion for Energy

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