Künftig auf Augenhöhe mit heutigen Kohle- oder Kernkraftblöcken Transatlantische Allianzen für Fusionsenergie

Wenn überall immer größere KI-Modelle glühen und der Stromzähler gnadenlos mitläuft, richtet sich der Blick zwangsläufig auf neue Energiequellen. Zum Beispiel aus der Kernfusion. Doch Fusionsenergie gibt es in der Natur, zum Beispiel in der Sonne, aber noch nicht im Energiemix.

Für Rechenzentrumsbetreiber und Hyperscaler bleibt Energie das Nadelöhr: KI-Trainingsjobs mit Megawatt-Lasten sprengen althergebrachte Infrastrukturen, während Regulatoren und Investoren immer strengere Nachhaltigkeitsziele vorgeben. Effizienzgewinne reichen, vermeintlich oder auch nicht, nicht mehr aus, um die Versorgungslücke zu schließen.

Fusionsenergie gilt als umweltfreundlich - selbst im Vergleich zu vielen erneuerbaren Quellen, wenn man den gesamten Lebenszyklus in Betracht zieht. Das Funktionsprinzip ist leicht nachzuvollziehen, aber schwer in der Umsetzung.

Wenn die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium in einem Fusionsreaktor unter extremen Bedingungen verschmelzen, entsteht ein Heliumkern – begleitet von einem energiereichen Neutron, das mit etwa 16,7 Millionen Elektronenvolt (MeV) aus dem Reaktorinneren „flüchtet“. Die freigesetzte Energie ist enorm: Ein einziger Fusionsvorgang liefert rund 17,6 MeV – mehr als das Dreifache einer klassischen Spaltreaktion.

Die freigesetzten Neutronen knallen auf die Reaktorstruktur. Dort erzeugen sie Hitze, die zur Energiegewinnung genutzt werden kann, aber auch eine Spur Radioaktivität. Sie ist beherrschbar und kein Grund zur Panik, aber Grund genug zur Vorsorge.

Langlebiger Atommüll entsteht dabei nicht, lediglich Aktivierungsprodukte der Neutronenstrahlung. Die jüngste Experimentkampagne an der weltweit leistungsstärksten Kernfusionsanlage vom Typ Stellarator hat die Potenziale dieser Technologie eindrucksvoll demonstriert und neue Rekorde aufgestellt.

Stellare Resultate

„Wendelstein 7-X“, der weltweit leistungsfähigste Stellarator, hielt das Tripelprodukt – also Plasmadichte × Temperatur × Energie-Einschlusszeit – volle 60 Sekunden auf Rekordniveau. Das gelang dank präziser Mikrowellenheizung und eines einzigartigen Pellet-Injektors, der gefrorene Wasserstoffkügelchen ins Plasma schießt. Obwohl kleiner als andere Reaktoren wie „JET“ (inzwischen stillgelegt), demonstriert W7-X eindrucksvoll das Potenzial des Stellarator-Konzepts für künftige Fusionskraftwerke.

Professor Robert Wolf, Leiter des Bereichs Stellarator-Heizung und -Optimierung am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), sagt dazu: „Diese Rekorde sind weit mehr als bloße Zahlen auf dem Papier. Sie markieren einen entscheidenden Schritt bei der Validierung des Stellarator-Konzepts – und das dank einer hervorragenden internationalen Zusammenarbeit.“

Der neue Weltrekord beim Tripelprodukt für langanhaltende Pulse ist das Ergebnis einer engen transatlantischen Zusammenarbeit zwischen den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des europäischen Wendelstein-7-X-Teams in Greifswald und ihren Partnern aus den USA.

Im Zentrum dieses Erfolgs steht der innovative Pellet-Injektor, der erstmals in dieser Form eingesetzt wurde: Das System schießt gefrorene Wasserstoffkügelchen präzise ins Plasma und sorgt so für einen kontinuierlichen Nachschub an Brennstoff, eine Grundvoraussetzung für stabile und langandauernde Plasmaphasen.

Mit gebündelten Kräften des Max-Planck Instituts und des Oak Ridge National Laboratory

Der technisch hochkomplexe und weltweit einmalige Pellet-Injektor wurde vom Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums (DoE) in Tennessee entwickelt. Nach Abschluss der Entwicklungsphase gelang es dem Team, dieses innovative System am Wendelstein 7-X erfolgreich zu installieren und in Betrieb zu nehmen. Damit wurde ein bedeutender Meilenstein für die Brennstoffversorgung in der Fusionsforschung gesetzt.

Beim Rekordexperiment zum Tripelprodukt wurden innerhalb von nur 43 Sekunden - danach wurde 60 draus - rund 90 gefrorene, millimetergroße Wasserstoffpellets in schneller Folge ins Plasma eingebracht, während gleichzeitig leistungsstarke Mikrowellen für die notwendige Plasmaheizung sorgten. Die Herausforderung bestand darin, die Einspeisung der Pellets und die Heizleistung optimal aufeinander abzustimmen, um das bestmögliche Verhältnis von Energiezufuhr und Brennstoffversorgung zu erzielen.

Der maßgebliche Fortschritt bestand darin, den Pellet-Injektor erstmals mit flexibel einstellbaren und zuvor definierten Pulsraten zu betreiben und dies mit außergewöhnlicher Präzision. Dieses Verfahren ist direkt auf die Anforderungen künftiger Fusionsreaktoren übertragbar und eröffnet das Potenzial, Plasmadauerzeiten auf mehrere Minuten zu verlängern.

Eine zentrale Rolle bei der Erzeugung der für die Fusion notwendigen Plasmatemperaturen spielte das Mikrowellen-Heizsystem auf Basis der Elektron-Zyklotron-Resonanz (ECR). Entwickelt wurde diese Schlüsseltechnologie in enger Zusammenarbeit mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und einem Expertenteam der Universität Stuttgart.

Im Rahmen des jüngsten Rekordexperiments gelang es, die Temperatur des Plasmas auf über 20 Millionen Grad Celsius zu steigern und Spitzenwerte von bis zu 30 Millionen Grad zu erreichen. Für die Berechnung des Triple-Produkts kamen hochpräzise Messverfahren zum Einsatz.

Das Princeton Plasma Physics Laboratory lieferte wertvolle Daten zur Ionentemperatur mit einem am Wendelstein 7-X betriebenen Röntgenspektrometer. Die benötigten Messwerte zur Elektronendichte wurden mit dem weltweit einzigartigen Interferometer des IPP (Max-Planck Institut für Plasmaphysik) erfasst.

Auch die Bestimmung der Energie-Einschlusszeit, einer weiteren entscheidenden Größe für das Triple-Produkt, erfolgte mit Hilfe eigens am IPP entwickelter Diagnostiksysteme. So konnte der Wendelstein 7-X, das Flaggschiff der deutschen Fusionsforschung, in enger Kooperation zwischen europäischen und US-amerikanischen Forschenden einen neuen Weltrekord aufstellen.

Keine Einzelleistung

Das Tripelprodukt ist eine zentrale Kennzahl auf dem Weg zum Fusionskraftwerk: Erreicht das Plasma einen kritischen Schwellenwert, liefert es mehr Fusionsleistung, als zu seiner Aufheizung benötigt wird. Damit schlägt die Energiebilanz ins Positive um: Die freigesetzte Fusionsenergie übertrifft die eingebrachte Heizleistung. Jenseits dieser Grenze trägt sich die Reaktion selbst – externe Beheizung ist dann nicht mehr erforderlich.

Damit die Fusion gelingen kann, müssen die Atomkerne in einem extrem heißen Plasma – bei Temperaturen von mehreren zehn Millionen Grad Celsius – gehalten werden. In diesem Zustand sind die Teilchen hochgradig beweglich und müssen sehr präzise kontrolliert werden, damit sie nicht „aus der Reihe tanzen“ und gegen die Wände des Fusionsreaktors knallen. Entscheidend dafür ist die magnetische Einschlusstechnik.

Bei Stellaratoren erzeugen ausschließlich extern gewundene Magnetspulen ein dreidimensionales Feld, das das Plasma stabil einschließt (im Gegensatz zu Tokamaks, die einen Teil des Magnetfeldes durch Strom im Plasma erzeugen). Die Lorentz-Kraft zwingt die frei beweglichen, geladenen Teilchen, den Feldlinien zu folgen, so dass sie nicht mit den Reaktorwänden kollidieren. Dieser vollständig stromfreie Betrieb beugt Turbulenzen vor und ermöglicht deutlich längere Plasmadauer als klassische Tokamaks.

Mit dem Wendelstein 7-X hat das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald mit der Unterstützung von EUROfusion das weltweit größte und leistungsfähigste Stellarator-Experiment im Betrieb. Wendelstein 7-X hat das Potenzial von Stellaratoren im praktischen Betrieb eindrucksvoll nachgewiesen und die Machbarkeit einer sicheren, kontinuierlichen Energiegewinnung aus der Kernfusion bekräftigt. Die Blaupause für zukünftige Fusionskraftwerke steht.

Stellaris von Proxima Fusion

Die Münchener Kernfusionsfirma Proxima Fusion GmbH hat derweil ehrgeizige Pläne: Bereits 2031 soll der erste Prototyp ihres Fusionsreaktors „Stellaris“ fertiggestellt werden. Die Netzintegration eines marktfähigen Kraftwerks soll noch im Laufe der 2030er Jahre folgen. Der kommerzielle Stellarator soll rund 1 Gigawatt elektrische Leistung aus sauberer Kernfusion liefern.

Das Spin-off des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik bekommt Rückenwind durch eine begutachtete Studie: Computermodelle bescheinigen dem neuartigen Reaktordesign „Stellaris“ hervorragende Aussichten für unterbrechungsfreien Dauerbetrieb. Jetzt allerdings steht die experimentelle Validierung der bislang theoretischen Erkenntnisse ebenso an wie die technische Konstruktion im Maßstab der Praxis.

Aus weltweit verfügbaren Ressourcen – vor allem Deuterium aus Meerwasser und Lithium – will Proxima Fusion 3,15 Gigawatt thermische Leistung erzeugen. Daraus sollen etwa 1 Gigawatt Strom brutto fließen, also auf Augenhöhe mit heutigen Kohle- oder Kernkraftblöcken.

„Mit Stellaris öffnen wir den Weg für wirtschaftlich nutzbare Fusionskraftwerke. Unser Konzept ist das erste von Experten begutachtete Stellarator-Design, das einen stabilen und unterbrechungsfreien Dauerbetrieb ermöglichen kann – und damit die bekannten Schwächen der Tokamak-Technologie sowie bisheriger Ansätze elegant umgeht“, erläutert Francesco Sciortino, Mitbegründer und CEO von Proxima Fusion.

Klar formuliert ist auch der Anspruch: „Wir sehen uns verpflichtet, Europa entscheidend auf dem Weg in das Fusionszeitalter voranzubringen.“

Während bislang viele Fusionsinitiativen vornehmlich international aufgestellt sind, strebt Proxima Fusion gezielt eine Führungsrolle Deutschlands und Europas im globalen Wettbewerb an. Wenn der „bayerische Stellarator“ tatsächlich hält, was die Modelle versprechen, dürften sich selbst die härtesten HPC-Workloads demnächst mit reinem Fusionsstrom speisen lassen.

Small Modular Reactors

Sorgt die KI für eine Renaissance der Atomkraft?

Die Stellaris-Initiative baut direkt auf den wissenschaftlichen Weichenstellungen des Stellarator-Experiments Wendelstein 7-X auf, das seit Jahren am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald betrieben wird und als aktuell weltweit größte Anlage ihrer Art Maßstäbe setzt.

Auf Basis der dort gewonnenen Erkenntnisse optimiert Stellaris die Kerntechnologien: Höhere Magnetfeldstärken, eine weiterentwickelte Geometrie für den Plasmaeinschluss (Quasi-Isodynamik, QI) und ein überarbeitetes Gesamtdesign zielen darauf ab, Energieverluste drastisch zu senken und Fusionsstrom erstmals wettbewerbsfähig ins Netz einzuspeisen.

Während der Stellarator Wendelstein 7-X vor allem wissenschaftliche Erkenntnisse sammelt, richtet Stellaris seinen Fokus von Beginn an auf den kommerziellen Einsatz. Das Projekt setzt stark auf industrielle Kooperation und Künstliche Intelligenz in Design und Produktion. Neben der Technik werden regulatorische Rahmenbedingungen und Integration ins Stromnetz aktiv vorbereitet.

Fusion aus Bayern

Proxima Fusion baut auf ein starkes Ökosystem aus Forschung und Technik. Aus der engen Verbindung mit dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) schöpft das Unternehmen fundiertes Wissen zur Stellaratorphysik. Auch das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beteiligt sich daran mit seiner Expertise.

Bei der Entwicklung von Hochtemperatur-Supraleitern für Stellaratoren arbeitet das Münchner Startup mit dem Paul Scherrer Institut (PSI) aus der Schweiz zusammen. Mit der Universität Bonn und dem Lamarr-Institut für KI entwickelt Proxima Fusion ein gemeinsames Projekt namens „AI for Fusion Engineering“ zur KI-gestützten Optimierung von Stellarator-Designs. Das Forschungszentrum Jülich und die TU München beteiligen sich am KI-Projekt zur geometrischen Modellierung und Simulation.

Parallel dazu fungiert der Culham Fusion Campus im Vereinigten Königreich als zentraler Standort für Forschung und Entwicklung, insbesondere im Bereich Engineering und Fertigung, wodurch wichtige Synergien zwischen wissenschaftlicher Grundlagenarbeit und industrieller Umsetzung entstehen.

Die Funktionsweise

Das Herzstück des geplanten Fusionskraftwerks ist ein bewährtes Prinzip: Im Reaktorgefäß verschmelzen die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium zu Helium – frei von CO₂ und langlebigem Atommüll. Deuterium lässt sich relativ einfach aus Meerwasser gewinnen; Tritium entsteht hingegen erst im Reaktor selbst: Ein Lithium-Blanket „brütet“ es, sobald die von der Fusion freigesetzten Neutronen darauf treffen.

Aktuelle Simulationen zeigen ein Tritium-Breeding-Ratio von 1,074 – der Reaktor produziert also gut sieben Prozent mehr Tritium, als er verbraucht. Damit sichert Stellaris nicht nur seine eigene Brennstoffversorgung, sondern schafft sogar Überschüsse für andere Anlagen.

Jorrit Lion, Mitbegründer und Chief Scientific Officer von Proxima Fusion, ordnet die jüngsten Ergebnisse ein: „Erstmals vereint das Stellaris-Konzept eine beispiellose Bandbreite physikalischer und ingenieurtechnischer Analysen in einem konsistenten Gesamtdesign.“

Gleichzeitig betont er, dass das Projekt bislang vor allem auf Modellen und Simulationen beruht. „Der nächste Schritt muss nun ein vollständiger technischer Entwurf sein, gefolgt von der zielgerichteten Weiterentwicklung aller erforderlichen Technologien.“ Ein detaillierter interner Fahrplan dafür liegt bereits in der Schublade.

Proxima Fusion hat gerade im Juni 2025 eine Series-A-Finanzierung über 130 Mio.  Euro abgeschlossen – die größte private Investitionsrunde für Fusionstechnologie in Europa. Damit steigt die Gesamtfinanzierung auf über 185 Mio. Euro, wenn man die öffentlichen Mittel mit dazu rechnet. Die Gelder sollen den Bau eines SMC (Stellarator Model Coil) bis 2027 ermöglichen und die Entwicklung von Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) vorantreiben.

Focused Energy: eine weitere transatlantische Energie-Allianz

Das deutsch-amerikanische Start-up Focused Energy verfolgt das ambitionierte Ziel, bis spätestens 2035 ein erstes laserbasiertes Fusionskraftwerk in Deutschland zu errichten. Als Standort wurde das Gelände des ehemaligen Kernkraftwerks Biblis in Hessen gewählt, ein symbolträchtiger Ort, der nach dem Atomausstieg nun zur Keimzelle für die nächste Generation der Energiegewinnung werden soll.

Geplant ist zunächst eine Demonstrationsanlage, die auf Basis der Laserfusion arbeitet, konkret: mittels inertialer Einschlussverfahren, bei denen leistungsstarke Festkörperlaser winzige Brennstoffpellets aus Deuterium und Tritium komprimieren und zünden. Diese Technologie baut auf den Durchbrüchen des US-amerikanischen National Ignition Facility (NIF) auf und wurde durch Fortschritte in der Laser-Effizienz zuletzt deutlich praxistauglicher.

Getragen wird das Projekt von einer öffentlich-privaten Partnerschaft: Neben Focused Energy sind der Energiekonzern RWE, die Landesregierung Hessen, die TU Darmstadt, das GSI Helmholtzzentrum sowie mehrere weitere Industriepartner beteiligt. Die Landesregierung hat bereits 20 Millionen Euro für die Forschung zugesagt; RWE stellt Infrastruktur, technisches Know-how und Projekt-Management bereit. Die Gesamtkosten für die Demonstrationsanlage und den späteren Kraftwerksbau werden auf 5 bis 7 Milliarden Euro geschätzt.

Projektpartner wollen die Machbarkeit von Laserfusion im industriellen Maßstab demonstrieren und damit den Weg für standardisierte Fusionskraftwerke ebnen. Sollte das Vorhaben gelingen, wäre es das erste kommerzielle Laserfusionskraftwerk weltweit und ein technologischer Wendepunkt für die europäische Energiepolitik.

Im Rahmen des BMBF-Förderprogramms Fusion 2040 wird derzeit intensiv an einem rechtlichen und technischen Regelwerk für Fusionsanlagen geforscht. Das interdisziplinäre Projekt „Refus“ entwickelt die für zukünftige Fusionskraftwerke nötigen Regelungen, um Technologiestandards, Strahlenschutz, Entsorgung und Nonproliferation frühzeitig abzudecken.

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