ITER: Wo Wissenschaft und Bauwesen auf die Zukunft treffen

Eine Luftaufnahme des 180 Hektar großen Geländes des Projekts International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Foto: ITER

Doch bevor es dazu kommt, muss ein großes und komplexes Bauprojekt abgeschlossen werden, und wie bei den meisten Megaprojekten überschreitet es das Budget und es kommt zu Verzögerungen.

Das Projekt heißt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) und wird in der Provence im Südosten Frankreichs gebaut. Die Bauarbeiten begannen 2010 und sollen voraussichtlich 2018 abgeschlossen sein. Derzeit ist es unwahrscheinlich, dass der Reaktor vor 2030 betriebsbereit sein wird.

Die Wurzeln von ITER reichen allerdings viel weiter zurück. Angesichts der heutigen geopolitischen Lage ist es schwer zu glauben, dass der Komplex 1986 gemeinsam von US-Präsident Ronald Reagan und dem sowjetischen Generalsekretär Michail Gorbatschow ins Leben gerufen wurde.

Das Projekt solle „zum Wohle der gesamten Menschheit“ durchgeführt werden, sagten die beiden. Wenn es am Ende gelingt, die Energiekosten um das Zehnfache zu senken (also 500 MW Fusionsenergieleistung aus 50 MW zugeführter Heizleistung), dann wird das Potenzial der Fusion unter Beweis gestellt, die globale Energielandschaft völlig zu revolutionieren.

ITER heute

Der Besuch des ITER-Projekts ist ein völlig anderes Erlebnis als die Besichtigung eines traditionelleren Kernkraftwerks.

Es sind nicht so sehr die neuen wissenschaftlichen Erkenntnisse, die einem ins Auge springen – obwohl diese zweifellos auf dem neuesten Stand der Technik sind –, sondern eher das Gefühl, dass die Einrichtung ein globales Dorf ist.

Es ist sicherlich ein Beispiel dafür, wie nationale Grenzen überwunden werden können. In den Großraumbüros, Fluren und Cafeterias der Anlage herrscht reges Treiben, wenn Wissenschaftler aus aller Welt über bewährte Verfahren und die nächsten Schritte zur Energiegewinnung durch Kernfusion diskutieren.

Darüber hinaus ist der ITER-Grundriss riesig – er erstreckt sich über ein 180 Hektar großes Gelände –, sodass es schwerfällt, die Tatsache zu verarbeiten, dass es sich hier lediglich um eine Versuchsanlage handelt. Es fühlt sich auf jeden Fall so an, als ob hier etwas Weltveränderndes geschieht.

Der Tokamak

Die Reparatur der Fasen des Vakuumbehälters wird am ITER-Standort von einem Konsortium namens SIMANG durchgeführt, das aus den italienischen Firmen SIMIC und Ansaldo Nucleare besteht. Foto: ITER

Das Herzstück von ITER ist der Tokamak-Reaktor, in dem dieselben Fusionsreaktionen stattfinden, die im Zentrum der Sonne stattfinden.

Der Reaktor wird unglaublich große Magnete verwenden, um das überhitzte, rotierende Plasma einzuschließen.

Das Plasma erreicht unglaubliche 150 Millionen Grad Celsius (mindestens zehnmal heißer als die Sonne) und während es rotiert, kollidieren die darin enthaltenen Deuterium- und Tritiumatome, wodurch ihre Kerne miteinander verschmelzen.

Die bei dieser Fusion freigesetzte Energie ist weitaus größer als die bei der Atomspaltung, die in heutigen Kernreaktoren stattfindet.

Ein weiterer Vorteil der Fusion ist, dass sie weitaus sauberer als die Kernspaltung und weit weniger gefährlich ist. Zwar entsteht bei diesem Prozess radioaktiver Abfall, aber die Halbwertszeit beträgt nur 12,3 Jahre.

Aus Sicherheitsgründen sind die Reaktionen im Tokamak auf eine kontinuierliche Brennstoffzufuhr angewiesen. Wenn also aus irgendeinem Grund die Stromzufuhr unterbrochen wird, schaltet sich die Maschine einfach „ab“.

Der Zweck des Projekts besteht natürlich darin, die wissenschaftlichen Erkenntnisse im großen Maßstab unter Beweis zu stellen. Erst wenn dies geschehen ist, kann mit der Arbeit an der Etablierung der Kernfusion als realistische Energiequelle der Zukunft begonnen werden.

Und genau da liegt, wie man so schön sagt, das Problem.

Sabina Griffith, Kommunikationsbeauftragte von ITER, sagt: „Bei der Fusion kommt es auf die Größe an. Man braucht ein gewisses Volumen, eine gewisse Menge an Molekülen und Atomen dort [im Tokamak], um genügend Reaktionen zu haben, die viel Elektrizität und Wärme erzeugen.“

„ITER ist das Projekt, das beweisen muss, dass wir es im industriellen Maßstab umsetzen können.“

Vereinfacht ausgedrückt besteht das Ziel von ITER darin, eine Stunde lang eine thermische Leistung von 500 MW zu erzeugen.

Wenn dies erreicht ist, beginnt weltweit ein echtes Rennen um eine neue Energiewende und um möglicherweise einen Beitrag dazu zu leisten, den Planeten vor dem Rand einer Klimakatastrophe zu bewahren.

Nicht immer alles glatt

Angesichts der Art und Weise, wie ITER aufgebaut ist, besteht eigentlich kein Anlass, international große Aufregung über die Kernfusion zu erzeugen – 35 Nationen sind bereits emotional (und finanziell) involviert.

Obwohl ITER ein gewaltiges globales Gemeinschaftsprojekt ist, hat seine egalitäre Struktur den Fortschritt des Projekts leider zeitweise behindert.

So nehmen etwa Kontrollen und Ausgleiche sowohl bei der Unterzeichnung als auch bei der Ratifizierung Zeit in Anspruch – insbesondere, wenn Präzisionskomponenten in so vielen verschiedenen Ländern hergestellt werden.

Die Herausforderungen des Bauprozesses traten während der Covid-Pandemie deutlich zutage, als es exponentiell schwieriger wurde, Wissenschaftler und Ingenieure zur Durchführung von Qualitätskontrollen rund um die Welt zu schicken.

Ende 2022 wurde bekannt, dass an den während Covid hergestellten Hitzeschilden Mängel festgestellt wurden. Diese Schilde isolieren die superkalten supraleitenden Magnete vom superheißen Plasma im Inneren des Tokamaks.

Die Messtechnik ist bei jedem Schritt der Montage der ITER-Maschine involviert, einschließlich der laufenden Reparaturarbeiten an kritischen Komponenten. Die Größe der Hitzeschildsegmente mit einer Fläche von etwa 15 mal 10 Metern ist eine der Herausforderungen für die Messtechniker, da sie Laserbeobachtungen von mehreren Instrumentenstandorten aus durchführen müssen. Foto: ITER

Es wurden Risse in Wärmerohren entdeckt. Die Risse waren so klein, dass sie mithilfe der Röntgentomografie identifiziert werden mussten, die in Zusammenarbeit mit Forschungsingenieuren am CERN in der Schweiz entwickelt wurde.

Letztendlich mussten rund 23 km Rohrleitungen ausgetauscht werden. Die ITER-Chefs warnten, dass die Folgen „nicht unerheblich“ sein würden, und die genauen Auswirkungen auf die ITER-Lieferung seien noch nicht bekannt.

Der Bau der Sonne auf der Erde

Die gute Nachricht ist, dass Herausforderungen und Rückschläge bis zu einem gewissen Grad zu den Vorteilen von ITER als Versuchsreaktor gehören.

Der damalige Generaldirektor des ITER, Pietro Barabaschi, sagte: „Das Know-how, das wir im Umgang mit den einzigartigen Komponenten des ITER erwerben, wird anderen von Nutzen sein, wenn sie ihre eigenen Fusionsprojekte starten.“

Wenn bei einem Projekt über eine Million Komponenten installiert werden müssen, kann man getrost davon ausgehen, dass es das eine oder andere Hindernis gibt.

Auch ITER-Kommunikationsbeauftragte Sabina Griffith musste mehrfach erklären, warum der Bau des Reaktors so lange dauert.

Sie sagt: „Das sind die ersten Komponenten ihrer Art; das hat zuvor noch niemand gemacht.

„Wir spielen wirklich mit den Kräften von Mutter Natur, deshalb müssen wir alles mit größter Sorgfalt tun.“

Neben der Liebe zum Detail, die für den Erfolg von ITER erforderlich ist, gibt es natürlich auch die logistischen Probleme, die jedes multinationale Projekt dieser Art mit sich bringt.

Aus aller Welt treffen laufend Komponenten bei ITER ein – und Griffith beschreibt eine Komponente, die besonders mit größter Sorgfalt behandelt werden muss.

„Die zentrale Spule, der große Magnet in der Mitte der Maschine, wird aus sechs Modulen bestehen; drei sind bereits da, drei weitere folgen noch“, sagt sie.

„Der Supraleiter kommt aus Japan; er wird nach San Diego zu General Atomics verschifft, wo er in einen Magneten umgewandelt wird.“

Griffith kommt zu dem Schluss: „Dies wird der stärkste Magnet sein, den die Menschheit je gebaut hat. Mit einer [magnetischen Feld-]Stärke von mehr als 12 Tesla.“

„Es verfügt über die gespeicherte Energie, um zwei Flugzeugträger anzuheben … Es muss sehr sorgfältig zusammengeschraubt werden.“

Für das ungeübte Ohr mag das wie eine Untertreibung klingen.

Präzision auf einem ganz neuen Niveau

Eine der Ingenieurinnen, die für die Überwachung eines Großteils des Zusammenbaus des ITER verantwortlich sein wird, ist Laure Navarro.

Seit sie dem Projekt beigetreten ist – etwa drei Monate bevor in ganz Europa die Covid-Lockdowns eingeführt wurden – war die Lernkurve im Baugewerbe ihrer Meinung nach, gelinde gesagt, steil.

„Manchmal müssen wir bei der Platzierung eines massiven Bauteils Toleranzen von weniger als 1 cm einhalten“, sagt sie. „Das sind Dinge, die Messtechnik erfordern, und wir haben bei ITER viele Messtechnikexperten.“

„Die Positionierung der Dinge im Raum ist also sehr präzise und es bedarf einer Menge Technologie, um alles zu integrieren.“

Wie Griffith sagte, gibt es beim Bau des ITER viele noch nie dagewesene Komponenten. Viele davon werden einzigartige Herausforderungen beim Heben und Manövrieren mit sich bringen, nicht nur weil sie groß und schwer sind, sondern auch wegen ihrer unorthodoxen Schwerpunktlage.

Navarro sagt: „Das größte Einzelelement, das wir in den Tokamak eingebaut haben, war ein Lift im Jahr 2020 … er wog 1.250 Tonnen, in einem Stück.

„Wir haben in der Montagehalle riesige 1.500-Tonnen-Brückenkräne. Diese sind diejenigen, die die größten Komponenten anheben und transportieren.

„Wir haben viel gelernt, als wir den Kran das erste Mal mit einer echten Komponente eingesetzt haben … über seine Fähigkeiten im Hinblick auf Genauigkeit und Geschwindigkeit und darüber, was als Standarddauer für einen Hub zu erwarten ist.

„Der erste Hub dauerte insgesamt 20 Stunden und hat uns sehr dabei geholfen, die Reaktion des Krans zu verstehen.

Werkzeuge für den Job

„Beim Sektormodulhub, der nicht so schwer, aber kritisch war, war es auch sehr interessant, weil man [auf der Komponente] zwei Schwerpunkte hat und daher in der Lage sein muss, die Lücken zwischen den beiden Schalen zu überwachen und sie zu integrieren.

„Auf jeden Fall, man lernt jedes Mal etwas.“

Navarro fügt hinzu: „Wir und die Auftragnehmer haben Werkzeuge entwickelt, die speziell für den Bau des ITER entwickelt wurden. Tatsächlich verfügen wir über mehr speziell angefertigte Werkzeuge als normale Werkzeuge für die Montage des Tokamak.“

Navarro beschreibt die Maschine als „wie riesiges Lego“ und spielt die technischen Herausforderungen herunter, die damit verbunden sind, riesige Komponenten mit höchster Genauigkeit an ihre Position zu bringen.

„Wir haben jede Menge Mobilisierungstools in 3D, die uns zeigen, wie wir es zusammenbauen müssen“, sagt sie.

„Wir verwenden Laserscanner, die bei der Positionierung anhand von Zielen helfen, und wir haben Sensoren zum Messen von Lücken.“

Sie fügt jedoch hinzu: „Ein farbenfrohes 3D-Video zu haben, ist schön, aber wenn man die Komponenten in Wirklichkeit sieht und sie bewegen muss, ist das noch einmal etwas ganz anderes.“

„Manchmal reicht praktische, pragmatische Erfahrung aus – manchmal reicht einfach eine vertikale Linie mit Schwerkraft.“

Es ist gut zu wissen, dass selbst bei den Versuchen der Menschheit, eine neue Sonne zu erschaffen, Raum für ein Lot besteht.

Wir können nur hoffen, dass es für ITER keine größeren Hindernisse mehr gibt und dass er die Wissenschaft der Fusion zur Energiegewinnung unter Beweis stellt.

Es wird der erste Reaktor sein, der mehr Wärme produziert als zugeführt wird und könnte den Weg für sichere, saubere Energie für Tausende, wenn nicht Millionen von Jahren ebnen.

ITER auf dem Construction Technology Summit 2024 Nuklearingenieurin Laure Navarro. Foto: ITER Laure Navarro, die in diesem Artikel zitierte Nuklearingenieurin, wird auf dem Construction Technology Summit sprechen, der am 19. März in Austin, Texas, stattfindet. Sie wird ihre Ansichten zu den wissenschaftlichen Aktivitäten am ITER sowie zur hochmodernen Konstruktionstechnologie darlegen, die zum Einbau von über einer Million Komponenten in der Anlage eingesetzt wird. Um sich für die Veranstaltung anzumelden, besuchen Sie www.ct-summit.com

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