Seit gestern hält Spanien den Schlüssel zur Kernfusion in der Hand: Der Teilchenbeschleuniger Granada ist Realität

Gestern war ein entscheidender Tag für IFMIF-DONES (International Fusion Materials Irradiation Facility DEMO-Oriented NEutron Source). Dieses bedeutende wissenschaftliche Projekt ist eng mit ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) verbunden, dem experimentellen Kernfusionsreaktor, der von einem internationalen Konsortium unter europäischer Führung im französischen Cadarache gebaut wird. IFMIF-DONES hat seinen Standort in Escúzar, einer Stadt in der Provinz Granada.

Die Bauarbeiten für diese letzte Anlage begannen Mitte September 2022, doch heute ist ein besonders wichtiger Tag für Granada und ganz Spanien. Der Ministerrat hat heute eine Investition von fast 200 Millionen Euro genehmigt, die für den Beginn der Bauarbeiten am Linearteilchenbeschleuniger von IFMIF-DONES erforderlich ist. Diese Maschine stellt das Herzstück dieser wissenschaftlichen Einrichtung dar und wird Spanien auf die Landkarte der Kernfusion bringen.

Die Entwicklung des Linearteilchenbeschleunigers wird rund 450 Millionen Euro kosten, wobei die Junta de Andalucía die Hälfte dieser Summe beisteuern wird. Dies sind jedoch nur die Kosten des Beschleunigers; das gesamte Projekt IFMIF-DONES wird etwa 700 Millionen Euro kosten, wobei Spanien die Hälfte dieses Kapitals aufbringt. Hinzu kommen weitere 50 Millionen Euro für die Umsetzung. Darüber hinaus werden die Betriebskosten dieses hochmodernen Forschungszentrums jährlich etwa 60 Millionen Euro betragen, wovon Spanien 10 % übernehmen wird. Obwohl dies nach einer beträchtlichen Summe klingt, sind die Verantwortlichen des Projekts überzeugt, dass der wirtschaftliche und wissenschaftliche Nutzen von IFMIF-DONES die Kosten bei weitem übersteigen wird.

Was ist IFMIF-DONES und warum ist es für die Zukunft der Kernfusion von entscheidender Bedeutung? IFMIF-DONES ist einer der drei Grundpfeiler des Kernfusionsprogramms, an dessen Entwicklung die Europäische Union beteiligt ist. Die beiden anderen Grundpfeiler sind ITER und DEMO. Der experimentelle Kernfusionsreaktor, der derzeit in Cadarache gebaut wird, soll demonstrieren, dass die Kernfusion in einem Maßstab funktioniert, den die Menschheit bewältigen kann, und dass sie auch energetisch rentabel ist.

ITER selbst verfolgt jedoch nicht das Ziel der Stromerzeugung. Diese Aufgabe wird DEMO (DEMOnstration Power Plant) übernehmen, eine Anlage, die die technologischen Fortschritte von ITER aufgreift und weiterentwickelt, um sich als echter Vorläufer kommerzieller Kernfusionsreaktoren zu etablieren. Ohne IFMIF-DONES wird es jedoch kein DEMO geben, weshalb Granada derzeit im Mittelpunkt steht.

Die Verschmelzung eines Deuteriumkerns und eines Tritiumkerns führt zur Produktion eines Heliumkerns sowie eines Neutrons, das mit einer Energie von etwa 14 MeV (Megaelektronenvolt) emittiert wird.

Um die Rolle des IFMIF-DONES-Projekts vollständig zu verstehen, ist es wichtig, einen kurzen Überblick über die Grundlagen der Kernfusion zu geben. Eine der größten Herausforderungen für Techniker, die an der Optimierung von Kernfusionsreaktoren durch magnetischen Einschluss wie ITER arbeiten, besteht darin, die Bedingungen in der Vakuumkammer dieser hochentwickelten Maschinen zu schaffen, die für die Verschmelzung der Deuterium- und Tritiumkerne erforderlich sind.

Aber das ist noch nicht alles. Bei dieser Reaktion wird durch die Verschmelzung eines Deuteriumkerns und eines Tritiumkerns ein Heliumkern und ein Neutron erzeugt, das mit einer Energie von etwa 14 MeV freigesetzt wird. Das Problem besteht darin, dass dem Neutron eine elektrische Nettoladung fehlt, wodurch es nicht im Magnetfeld gehalten werden kann, das jedoch die positiv geladenen Deuterium- und Tritiumkerne zurückhält.

Deshalb wird das Neutron, das als Ergebnis der Kernfusionsreaktion entsteht, mit enormer Energie gegen die Wände der Vakuumkammer geschleudert. Dieses Teilchen ist von großer Bedeutung, da es eng mit der Erzeugung elektrischer Energie in Kernfusionsreaktoren verbunden ist, gleichzeitig aber auch eine aggressive Form der Strahlung darstellt, die die im Reaktor verwendeten Materialien erheblich schädigen kann.

Die Komponenten, die am stärksten vom direkten Aufprall hochenergetischer Neutronen und dem intensiven Wärmefluss betroffen sein werden, sind die Innenwände der Vakuumkammer und die Decke, die diese umgibt und deren Zweck es ist, das Tritium zu regenerieren, das als Brennstoff für die Kernfusionsreaktion benötigt wird. Daher ist es entscheidend, neue Materialien zu entwickeln, die in der Lage sind, dem Neutronenfluss standzuhalten und so eine lange Lebensdauer des Reaktors zu gewährleisten.

Der Linearteilchenbeschleuniger IFMIF-DONES wird hochenergetische Neutronen mit der Intensität und dem Strahlungsvolumen erzeugen, die notwendig sind, um die Kandidatenmaterialien zu testen.

Das ist das Hauptziel von IFMIF-DONES. Um dies zu erreichen, ist es erforderlich, Einrichtungen zu entwickeln, die es den am Projekt beteiligten Technikern ermöglichen, die Eigenschaften der in Frage kommenden Materialien zu bewerten, die nicht nur in DEMO, sondern auch in zukünftigen kommerziellen Kernfusionsreaktoren zum Einsatz kommen können.

Die Mission dieses Projekts verdeutlicht, was das Kernstück von IFMIF-DONES ist: eine Quelle, die in der Lage ist, hochenergetische Neutronen mit der Intensität und dem Volumen der Strahlung zu erzeugen, die notwendig sind, um die Kandidatenmaterialien zu testen. Diese Neutronenquelle wird ein Linearteilchenbeschleuniger sein, der den Wissenschaftlern von IFMIF-DONES dabei helfen wird, die Materialien zu testen, zu validieren und zu qualifizieren, die in naher Zukunft für die Erzeugung elektrischer Energie durch Fusion eingesetzt werden sollen.