Magnetfusion, Laserfusion und Brennstoffkreislauf Deutschlands Roadmap auf dem Weg zum Fusionskraftwerk

Die Kernfusion ist eine der wenigen sauberen Optionen, um große Energiemengen bereitzustellen. War Fusionstechnik bis vor wenigen Jahren noch reines Forschungsgebiet, rückt die Realisierung von Kraftwerken in den Fokus. Deutschland hat hier eine gute Ausgangsposition, die jetzt mit drei Fusionshubs durch die Regierung vorangetrieben werden soll.

Die Kernfusion hat großes Potenzial für eine klimaneutrale, sichere, verlässliche und bezahlbare Energieversorgung. Bei der Fusion verschmelzen leichte Atomkerne (Wasserstoffisotope) unter hohen Temperaturen zu einem Heliumkern. Im Vergleich zur chemischen Verbrennung entstehen aufgrund des Massedefekts Energiedichten, die um mehrere Größenordnungen höher liegen. Aktuell unterliegen Aktivitäten bei der Kernfusion einer hohen Dynamik.

Drei Zentren für die Kernfusion, sogenannte Fusionshubs, sollen auch in Deutschland den Weg zum ersten Kernfusionskraftwerk ebnen. Diese Hubs vernetzen wissenschaftliche Einrichtungen, Industrieunternehmen und Start-Ups, so der Plan der Bundesregierung. Hauptstandorte sind Biblis, Garching und Karlsruhe für die Teilgebiete Laserfusion (Trägheitsfusion), Magnetfusion sowie Brennstoffkreislauf und Materialentwicklung.

Hinzu kommen Forschungsreinrichtungen in Mecklenburg-Vorpommern wie Wendelstein 7-X und das High Density Institut (HEDI) sowie in Schleswig Holstein und Hamburg der „Fusion R&D Campus“.

Die Hubs: Magnet- und Laserfusion sowie Brennstoffkreislauf

Für die ersten Kraftwerke gilt die Deuterium-Tritium-Reaktion als aussichtsreichste Variante. Der wirtschaftliche Erfolg der Fusion wird nicht allein auf dem Gebiet der Plasmaphysik entschieden, sondern ebenso durch die Verfügbarkeit leistungsfähiger elektronischer Komponenten und geeigneter Werkstoffe.

Magnetfusion

Die Projektgruppe STRIDE konzentriert sich auf die Magnetfusion, insbesondere auf die Stellarator-Technik, bei der Deutschland in der Forschung führend ist. Der von Proxima Fusion, Gauss Fusion und dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik koordinierte Hub in Garching bei München soll dazu beitragen, wissenschaftliche Erkenntnisse stärker in industrielle Entwicklungen zu überführen. Im Mittelpunkt stehen Hochtemperatur-Supraleiter, Kryotechnik, Magnetmechanik, Steuerungstechnik und digitale Entwicklungswerkzeuge. Zudem ist auf dem Gelände des stillgelegten Kernkraftwerks Gundremmingen das Demonstratorkraftwerk Stellaris geplant.

Gerade die Magnettechnik entwickelt sich zunehmend zum eigentlichen Engpass eines künftigen Kraftwerks. Während klassische Niedertemperatur-Supraleiter wie NbTi oder Nb₃Sn an ihre physikalischen Grenzen stoßen, ermöglichen REBCO-Bandleiter (Hochtemperatur-Supraleiter der 2. Generation auf Basis von seltene-Erden-Barium-Kupfer-Oxiden) Magnetfelder jenseits von 20 T. Höhere Magnetfelder verkleinern das notwendige Plasmavolumen erheblich und verbessern gleichzeitig die Leistungsdichte des Reaktors. Damit verschiebt sich der Schwerpunkt der Entwicklung von der Plasmaphysik hin zur Ingenieurwissenschaft.

Laserfusion

Während die Magnetfusion von Kryotechnik und Supraleitern geprägt wird, stehen im Laserfusions-Hub VEGA Photonik, Optik und Lasertechnik sowie die Entwicklung und Fertigung von Pellets im Mittelpunkt. Der Standort Biblis, koordiniert von Marvel Fusion und Focused Energy, bildet gemeinsam mit Partnern aus Hamburg, Kiel sowie weiteren Forschungseinrichtungen das Zentrum. Ziel ist es, die heute noch eher im Forschungsstadium befindliche Lasertechnik in eine hochverfügbare industrielle Infrastruktur zu überführen und das weltweit erste Laserfusionskraftwerk bis Mitte der 2030er-Jahre zu errichten.

Die Herausforderung besteht weniger im Nachweis der Fusion als vielmehr in der sicheren Reproduzierbarkeit. Ein wirtschaftliches Kraftwerk muss mehrere Brennstoffpellets pro Sekunde zünden, wozu Hochleistungslaserimpulse reproduzierbarer Qualität notwendig sind. Daraus ergeben sich erhebliche Anforderungen an die Leistungselektronik. Gepulste Hochspannungsversorgungen, schnelle Halbleiterschalter, Präzisionsregelungen und optoelektronische Diagnostik müssen über Jahre hinweg im Dauerbetrieb arbeiten.

Unternehmen wie Marvel Fusion und Focused Energy verfolgen unterschiedliche technologische Ansätze, adressieren jedoch dieselbe industrielle Fragestellung: Wie lassen sich Hochleistungslaser aus dem Forschungslabor in eine Kraftwerksumgebung überführen? Die Antwort darauf entscheidet nicht nur über die Zukunft der Laserfusion, sondern beeinflusst zugleich die Entwicklung neuer Festkörperlaser, optischer Beschichtungen und hochbelastbarer Leistungsmodule für zahlreiche weitere Industriezweige.

Brennstoffkreislauf und Werkstoffe

Der dritte Hub MAT-TRIX widmet sich dem Brennstoffkreislauf und der Materialentwicklung. Karlsruhe (KIT) übernimmt hierbei eine koordinierende Rolle und bündelt Kompetenzen aus Materialwissenschaft, Tritiumtechnik und Reaktorsystemtechnik (Brutblankets, Komponenten und HF-Technik zur Plasmaheizung).

Ein Fusionskraftwerk muss seinen Brennstoff (Tritium) weitgehend selbst erzeugen. Dazu dienen sogenannte Blankets, in denen die energiereichen Neutronen mit lithiumhaltigen Materialien reagieren. Gleichzeitig entziehen diese Systeme den Reaktorwänden die entstehende Wärme und bilden damit die eigentliche Schnittstelle zwischen Plasma und Dampfkraftprozess.

Diese Komponenten sind extremen Belastungen ausgesetzt. Neutronen verändern die Mikrostruktur metallischer Werkstoffe, führen zur Versprödung und beeinflussen die Wärmeleitfähigkeit. Neue Untersuchungen zeigen, dass selbst heute als Referenz geltende Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierungen unter langfristiger Bestrahlung strukturelle Veränderungen erfahren können. Parallel werden hochentwickelte Wolframwerkstoffe, keramische Verbundmaterialien und Mehrkomponentenlegierungen untersucht, um die Lebensdauer künftiger Divertoren und First-Wall-Komponenten deutlich zu erhöhen.

Für die Elektronikindustrie entstehen daraus zahlreiche neue Aufgaben. Temperatur-, Dehnungs- und Strahlungssensoren müssen über Jahre hinweg unter hoher Neutronenbelastung zuverlässig arbeiten. Leistungselektronik für Kühlsysteme, Robotik und Fernwartung muss hochverfügbar ausgelegt werden, während Verbindungstechnik und Stecksysteme sowohl Kryotemperaturen als auch erhöhten Strahlungsdosen standhalten müssen.

Diese Durchbrüche haben die Fusionstechnik vorangetrieben

Dass die Fusion heute als realistische Energieoption betrachtet wird, ist das Ergebnis mehrerer technologischer Durchbrüche. Dazu zählt die Entwicklung von Hochtemperatur-Supraleitern auf Basis von REBCO-Bandleitern, die deutlich kompaktere Reaktorkonzepte ermöglichen. Da die Fusionsleistung annähernd mit der vierten Potenz der Magnetfeldstärke skaliert, können bereits vergleichsweise kleine Reaktoren Leistungen erreichen, die bislang nur mit wesentlich größeren Anlagen denkbar waren.

Auch die numerische Simulation hat erhebliche Fortschritte gemacht. Moderne Hochleistungsrechner simulieren Plasmainstabilitäten mit sehr hoher Genauigkeit und ermöglichen eine Optimierung der Magnetgeometrien bereits während der Entwicklung. Hinzu kommen KI-gestützte Regelalgorithmen, welche Störungen im Plasma frühzeitig erkennen und Gegenmaßnahmen innerhalb weniger Millisekunden einleiten können.

Auf der Seite der Trägheitsfusion treiben leistungsfähigere Festkörperlaser und effizientere Pulstechnik die Entwicklung voran. Gleichzeitig verbessern neue Fertigungstechnologien die Qualität der millimetergroßen Brennstoffpellets, deren Oberflächenfehler nur wenige Nanometer betragen dürfen. Ohne diese Präzision wäre eine symmetrische Kompression nicht möglich.

Eine neue Lieferkette entsteht

Die Bundesregierung verfolgt mittlerweile eine andere Strategie als in der Vergangenheit: Forschung, Anlagenbau und industrielle Entwicklung sollen parallel vorangetrieben werden. Die erste Förderphase ist mit 125 Mio. Euro ausgestattet und wird durch Beiträge der Länder sowie private Investitionen ergänzt. Ziel ist es, Deutschland als führenden Entwicklungsstandort für Fusionsenergie zu etablieren und in den 2040er-Jahren die Voraussetzungen für ein erstes kommerzielles Kraftwerk zu schaffen.

Zur kompletten industriellen Lieferkette gehören Magnettechnik, Kryoanlagen, Leistungselektronik, Sensorik, Vakuumtechnik, Robotik, Präzisionsfertigung, Hochleistungslaser, Werkstoffe und digitale Simulationswerkzeuge. Die Hubs sollen entsprechende Unternehmen frühzeitig in die Entwicklung einbinden und damit Technologiereife sowie Fertigungskompetenz parallel steigern.

Ob sich letztlich Tokamak, Stellarator oder Laserfusion durchsetzen wird, ist noch offen. Allerdings benötigen alle Konzepte hochintegrierte Leistungselektronik, präzise Sensorik, robuste Verbindungstechnik, intelligente Regelungssysteme und hochautomatisierte Fertigungsprozesse. Die Elektronikindustrie wird damit nicht zum Zulieferer für die Kernfusion, sondern könnte eine Schlüsseltechnologie werden.

Sollte Deutschland seine ambitionierte Roadmap erfolgreich umsetzen, könnte die Fusionsindustrie in den kommenden zwei Jahrzehnten eine hohe Dynamik entfalten. Die Elektronikbranche könnte eine Schlüsselrolle beim Aufbau einer völlig neuen Energieinfrastruktur einnehmen – lange bevor das erste kommerzielle Fusionskraftwerk Strom ins Netz einspeist.

Hintergrund: Funktionsweise und Kraftwerkskonzepte der Kernfusion

In Fusionsanlagen müssen Temperaturen von deutlich über 100 Mio. °C erzeugt werden. Da kein Material Temperaturen dieser Größenordnung standhalten kann, darf das Plasma keine Reaktorwand berühren. Daraus ergeben sich die drei weltweit verfolgten Konzepte zur Fusion: der magnetische Einschluss im Tokamak, der magnetische Einschluss im Stellarator sowie der kurzzeitige Trägheitseinschluss durch Hochleistungslaser.

Magnetische Anlagen arbeiten mit vergleichsweise niedrigen Teilchendichten, halten das Plasma dafür über viele Sekunden bis perspektivisch dauerhaft stabil. Die Trägheitsfusion verfolgt den umgekehrten Ansatz: Winzige Brennstoffkapseln werden für wenige Milliardstel Sekunden auf extrem hohe Dichten komprimiert, wodurch trotz der kurzen Einschlusszeit genügend Fusionen stattfinden können.

Für die technische Umsetzung ergeben sich daraus vollkommen unterschiedliche Anforderungen an Magnetsysteme, Energieversorgung und Leistungselektronik.

Tokamak – das derzeit am weitesten entwickelte Konzept

Der Tokamak gilt seit Jahrzehnten als Referenzkonzept der magnetischen Kernfusion. Anlagen wie ITER, JT-60SA oder der deutsche Forschungsreaktor ASDEX Upgrade basieren auf diesem Prinzip. Das Plasma befindet sich in einem torusförmigen Vakuumgefäß und wird durch zwei überlagerte Magnetfelder stabilisiert. Ein starkes toroidales Feld wird von supraleitenden Magnetspulen erzeugt, während ein zweites Magnetfeld durch einen im Plasma fließenden Strom entsteht. Erst die Überlagerung beider Felder erzeugt die charakteristischen schraubenförmigen Feldlinien, auf denen sich die geladenen Teilchen bewegen.

Der Plasmastrom übernimmt dabei eine Doppelfunktion. Einerseits erzeugt er einen wesentlichen Anteil des einschließenden Magnetfeldes, andererseits heizt er das Plasma durch seinen elektrischen Widerstand auf. Für Temperaturen oberhalb von etwa 20 Mio. °C reicht diese ohmsche Erwärmung jedoch nicht mehr aus. Zusätzliche Heizsysteme wie Neutralteilcheninjektionen oder Hochfrequenzquellen übernehmen dann die weitere Energiezufuhr.

Aus Sicht des Anlagenbaus besitzt der Tokamak einen entscheidenden Vorteil: Seine Magnetgeometrie ist vergleichsweise einfach. Die ringförmig angeordneten Feldspulen lassen sich mit hoher Präzision fertigen und montieren. Deshalb konnten Tokamaks in den vergangenen Jahrzehnten schneller skaliert werden als Stellaratoren.

Der Plasmastrom stellt jedoch zugleich die größte Schwachstelle des Konzepts dar. Er macht das Plasma anfällig für magnetohydrodynamische Instabilitäten. Kommt es zu sogenannten Disruptions, bricht der Plasmastrom innerhalb weniger Millisekunden zusammen. Dabei entstehen enorme elektromagnetische Kräfte, induzierte Wirbelströme und lokale Wärmelasten von mehreren Gigawatt pro Quadratmeter. Für ein kommerzielles Kraftwerk stellen solche Ereignisse eines der größten Entwicklungsrisiken dar.

Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Leistungselektronik. Stromrichter müssen Magnetströme im Bereich mehrerer 10 kA mit hoher Dynamik regeln. Gleichzeitig überwachen Tausende Diagnostikkanäle kontinuierlich Temperaturprofile, Dichteverteilungen, Magnetfeldänderungen und Strahlungsverluste. KI-gestützte Regelalgorithmen erkennen heute Vorläufer einer Disruption bereits Sekundenbruchteile vor dem eigentlichen Ereignis und leiten Gegenmaßnahmen ein.

ITER verfolgt deshalb nicht nur das Ziel, eine positive Energiebilanz nachzuweisen, sondern auch die Beherrschung dieser komplexen Plasmaregelung. Die dabei entwickelten Technologien gelten als Grundlage späterer Demonstrationskraftwerke. ITER befindet sich weiterhin im Aufbau, während parallel private Unternehmen versuchen, durch kompaktere Hochfeld-Tokamaks schneller zu marktreifen Anlagen zu gelangen.

Stellarator – der Dauerläufer unter den Fusionskonzepten

Der Stellarator verfolgt denselben physikalischen Ansatz des magnetischen Einschlusses, verzichtet jedoch vollständig auf einen dauerhaften Plasmastrom. Sämtliche Magnetfelder werden ausschließlich durch außenliegende Spulen erzeugt. Dadurch entfällt die wichtigste Ursache für Disruptionen.

Der Preis für diese höhere Stabilität ist eine außerordentlich komplexe Magnetgeometrie. Während Tokamaks mit rotationssymmetrischen Magnetspulen arbeiten, besitzt ein moderner Stellarator Dutzende individuell geformter supraleitender Spulen mit dreidimensionalen Freiformkonturen. Bereits kleinste Fertigungsabweichungen verändern den Verlauf der Magnetfeldlinien und verschlechtern den Plasmaeinschluss.

Genau hier setzte die Entwicklung des Wendelstein 7-X an. Mithilfe numerischer Optimierungsverfahren gelang es dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, eine sogenannte quasi-isodynamische Magnetfeldgeometrie zu entwickeln. Sie reduziert die Drift schneller Teilchen, minimiert Energieverluste und verbessert die Stabilität des Plasmas erheblich. Diese Optimierung gilt heute als einer der größten Fortschritte der Fusionsforschung der vergangenen Jahrzehnte.

Die Leistungsfähigkeit dieses Konzepts konnte 2025 eindrucksvoll nachgewiesen werden. Wendelstein 7-X erreichte einen neuen Weltrekord beim sogenannten Triple Product während eines 43 s langen Hochleistungsplasmas und bewegte sich damit erstmals auf dem Niveau der besten Tokamak-Experimente – allerdings ohne deren grundsätzliche Stabilitätsprobleme. Gleichzeitig bestätigten die Experimente erneut die Fähigkeit des Stellarators zum stationären Dauerbetrieb.

Für Kraftwerksentwickler besitzt dieser Unterschied enorme Bedeutung. Während ein Tokamak grundsätzlich gepulst arbeitet oder komplizierte Verfahren zur Stromerzeugung im Plasma benötigt, kann ein Stellarator theoretisch kontinuierlich Energie liefern. Dadurch entfallen zahlreiche Komponenten zur Pulssteuerung und Magnetumschaltung. Auch thermische Lastwechsel auf Wandmaterialien und Kühlsysteme werden deutlich reduziert.

Der Preis dafür bleibt die enorme Fertigungskomplexität. Die fünfzig supraleitenden Magnetspulen von Wendelstein 7-X mussten mit einer Genauigkeit im Millimeterbereich montiert werden. Für künftige Kraftwerke steigen diese Anforderungen weiter. Digitale Zwillinge, hochpräzise Messtechnik und automatisierte Fertigungsprozesse werden deshalb zu zentralen Schlüsseltechnologien.

Auf den Ergebnissen von Wendelstein 7-X baut heute das Münchner Unternehmen Proxima Fusion auf. Als erstes Spin-off des Max-Planck-Instituts entwickelt es ein kommerzielles Stellarator-Kraftwerk mit Hochtemperatur-Supraleitern, das deutlich kompakter ausfallen soll als bisherige Anlagen. Die Kombination aus optimierter Magnetgeometrie und REBCO-Magneten bildet dabei den technologischen Kern des Konzepts.

Trägheitsfusion – das Potenzial der Lasertechnik

Im Gegensatz zu magnetischen Konzepten verzichtet die Trägheitsfusion vollständig auf den stationären Plasmaeinschluss. Stattdessen wird eine wenige Millimeter große Brennstoffkapsel mit mehreren hundert Laserstrahlen nahezu gleichzeitig bestrahlt. Die äußere Schicht der Kapsel verdampft explosionsartig und erzeugt einen Rückstoß, der den verbleibenden Brennstoff auf Dichten komprimiert, wie sie sonst nur im Inneren von Sternen auftreten.

Während der wenige Nanosekunden dauernden Kompression verhindern allein die Trägheitskräfte ein sofortiges Auseinanderfliegen des Brennstoffs. Innerhalb dieses extrem kurzen Zeitfensters muss die Fusion zünden.

Dieses Konzept erlangte weltweite Aufmerksamkeit, als an der National Ignition Facility (NIF) erstmals eine Fusionsreaktion mit positiver Energiebilanz bezogen auf den Laserimpuls nachgewiesen werden konnte. Physikalisch war damit gezeigt, dass kontrollierte Trägheitsfusion grundsätzlich möglich ist. Für ein Kraftwerk fehlen jedoch noch einige Punkte.

Ein kommerzielles Laserkraftwerk müsste mehrere Brennstoffkapseln pro Sekunde mit mikrometergenauer Positionierung in die Reaktionskammer einspeisen. Gleichzeitig müssten Hochleistungslaser mit Wirkungsgraden von deutlich über 20 Prozent arbeiten und mehrere Schüsse pro Sekunde zuverlässig liefern. Gegenwärtige Forschungsanlagen liegen hiervon noch weit entfernt.

Deutschland hier eine starke Ausgangsposition. Marvel Fusion entwickelte in München ein laserbasiertes Kraftwerkskonzept mit ultrakurzen Hochleistungslaserpulsen, während Focused Energy in Darmstadt auf Erkenntnissen der amerikanischen NIF aufbaut und Konzepte für ein industriell nutzbares Laserfusionskraftwerk konzipiert. (kr)

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