Wie Tokamak-Fusionsreaktoren funktionieren – und wie nah wir dran sind

Die Maschine, die einen Stern einfängt

Seit mehr als sieben Jahrzehnten verfolgen Wissenschaftler eine trügerisch einfache Idee: den Prozess, der die Sonne antreibt, nachzubilden und nahezu unbegrenzte, saubere Energie zu gewinnen. Das führende Gerät bei diesem Unterfangen ist der Tokamak – eine ringförmige Maschine, die Magnetfelder nutzt, um Plasma einzuschließen, das auf Hunderte Millionen Grad erhitzt wird. Da sich mehrere große Tokamaks derzeit im Bau befinden oder sich der ersten Plasmaerzeugung nähern, ist die lang versprochene Ära der Fusionsenergie näher denn je.

Was ist ein Tokamak?

Der Name stammt von einem russischen Akronym – toroidal'naya kamera s magnitnymi katushkami – und bedeutet „toroidale Kammer mit magnetischen Spulen“. Der Tokamak, der in den 1950er Jahren von den sowjetischen Physikern Andrei Sacharow und Igor Tamm konzipiert wurde, erwies sich schnell als der effektivste Weg, Fusionsplasma einzuschließen, und ist nach wie vor das weltweit dominierende Design.

Im Kern ist ein Tokamak ein hohles, ringförmiges Vakuumgefäß, das von supraleitenden Magneten umgeben ist. Diese Magneten erzeugen überlappende Felder – toroidale (die lange Seite um den Ring herum verlaufen) und poloidale (die kurze Seite verlaufen) – die sich zu einem spiralförmigen Käfig verdrillen und das überhitzte Plasma von den Gefäßwänden fernhalten.

Wie es funktioniert, Schritt für Schritt

Zuerst werden Luft und Verunreinigungen aus der Vakuumkammer gepumpt. Eine winzige Menge Wasserstoffbrennstoff – typischerweise Deuterium und Tritium, zwei schwere Isotope des Wasserstoffs – wird als Gas injiziert. Ein starker elektrischer Strom ionisiert das Gas, trennt Elektronen von den Kernen und erzeugt Plasma.

Zusätzliche Heizsysteme bringen das Plasma dann auf Fusionstemperaturen: zwischen 150 und 300 Millionen °C, etwa zehnmal heißer als der Kern der Sonne. Zu den Methoden gehören die Neutralteilcheninjektion, bei der hochenergetische Teilchen in das Plasma geschossen werden, und die Hochfrequenzheizung, bei der mikrowellenähnliche Energie eingepumpt wird.

Bei diesen extremen Temperaturen überwinden Deuterium- und Tritiumkerne ihre natürliche elektrische Abstoßung und verschmelzen, wodurch ein Heliumkern, ein hochenergetisches Neutron und ein Energieschub entstehen. Die Neutronen entweichen dem magnetischen Käfig, treffen auf eine umgebende Decke und wandeln ihre kinetische Energie in Wärme um – die dann eine herkömmliche Dampfturbine antreiben kann, um Strom zu erzeugen.

Warum Magnete der Schlüssel sind

Plasma bei Fusionstemperaturen würde jedes Material verdampfen, mit dem es in Berührung kommt. Die Lösung des Tokamaks besteht darin, Magnetismus anstelle von Wänden zu verwenden. Je stärker das Magnetfeld, desto dichter der Plasmaeinschluss – und desto kleiner kann die Maschine sein, während sie dennoch Fusionsbedingungen erreicht. Diese Erkenntnis hat eine Revolution bei Hochtemperatur-Supraleitungs-Magneten (HTS) ausgelöst, die weitaus stärkere Felder erzeugen als ältere Kupfer- oder Niedertemperatur-Supraleiter.

Commonwealth Fusion Systems, ein Spin-off des MIT, baute im Jahr 2021 den weltweit leistungsstärksten HTS-Fusionsmagneten und erzeugte ein Feld von 20 Tesla. Dieser Durchbruch ermöglichte die Entwicklung von SPARC, einem kompakten Tokamak, der trotz seiner geringen Größe im Vergleich zu früheren Designs 140 MW Fusionsleistung erzeugen soll.

Wo wir stehen

Zwei Vorzeigeprojekte prägen die heutige Fusionslandschaft. ITER, das internationale Megaprojekt in Südfrankreich, das von 35 Nationen unterstützt wird, hat alle seine supraleitenden Magneten fertiggestellt – darunter eine zentrale Solenoidspule, die stark genug ist, um einen Flugzeugträger anzuheben – und strebt die erste Plasmaerzeugung um 2033–2034 an. Im Betrieb wird das Plasmavolumen von ITER sechsmal größer sein als bei jedem bestehenden Tokamak.

Auf privater Seite montiert CFS SPARC in Devens, Massachusetts, wobei die erste Plasmaerzeugung für 2026–2027 erwartet wird und das Ziel darin besteht, kurz darauf einen Nettoenergiegewinn nachzuweisen. Das Unternehmen hat fast 3 Milliarden Dollar aufgebracht, mit Unterstützung von Google und Nvidia, und plant, ARC, sein erstes kommerzielles Kraftwerk, in den frühen 2030er Jahren zu bauen.

Sie sind nicht allein. Rund 50 private Unternehmen verfolgen derzeit die kommerzielle Fusion, und mehrere – darunter TAE Technologies und General Fusion – stellen neue Demonstrationsmaschinen vor. Die meisten Experten sehen realistische Zeitpläne für die ersten kommerziellen Anlagen, die Strom in die Netze einspeisen, bei 2030–2035.

Die verbleibenden Herausforderungen

Die technischen Hürden sind nach wie vor erheblich. Plasma-zugewandte Komponenten müssen extremer Neutronenbombardierung jahrelang standhalten, ohne sich abzubauen. Tritium, einer der beiden Brennstoffe, ist radioaktiv und knapp – zukünftige Reaktoren müssen es aus Lithiumdecken züchten, die das Plasma umgeben. Und noch kein Tokamak hat ein brennendes Plasma lange genug aufrechterhalten, um kontinuierlich Strom zu erzeugen.

Dennoch hat sich das Tempo des Fortschritts dramatisch beschleunigt. Die Fusion wandelt sich von einem Physikexperiment zu einer technischen Herausforderung – und die Maschinen, die darum wetteifern, sie zu lösen, nehmen bereits Gestalt an.