Wie Künstliche Intelligenz hilft, den Fusionsreaktor endlich Wirklichkeit werden zu lassen


Saubere Atomenergie, von der kaum Gefahr ausgeht. Davon träumt die Menschheit seit Jahrzehnten. Doch bisher funktionierte es nicht, die Kernfusion zur Stromgewinnung nutzbar zu machen. Mithilfe von Künstlicher Intelligenz ist es nun allerdings gelungen, einen Reaktor so zu konfigurieren, dass er zumindest kurzzeitig mehr Energie erzeugt, als er verbraucht. Das macht Hoffnung.

Von Lucas Spreiter

Im Comic-Universum von Marvel versucht Howard Stark nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs die Energie des mystischen „Tesserakt“-Würfels zu erschließen. Dabei entwickelt er den Arc-Reaktor – eine Technologie, die er als Schlüssel zu unbegrenzter, nachhaltiger Energie sieht und gegen die Atomkraftwerke wie eine AAA-Batterie aussehen würden. Jedoch lässt sich der perfekte Reaktor nicht ohne ein Element herstellen, das Howard Stark bisher nur in der Theorie entworfen hat und für dessen Synthese ihm noch die nötige Technologie fehlt. Erst seinem Sohn Tony Stark gelingt die Konstruktion des Superkraftwerks.

Im Film Iron Man baut dieser eine Miniaturversion des Arc-Reaktors in einer afghanischen Höhle, um damit einen Elektromagneten anzutreiben, der ihm tödliche Granatsplitter vom Herzen halten soll. Schon dieser kleine Reaktor hat eine beachtliche Leistung von 3 Gigajoule pro Sekunde – so viel wie drei durchschnittliche Atomkraftwerke. Doch nachdem Abfallprodukte des Reaktors ihn zu vergiften drohen, sucht Tony nach neuen Elementen für die Reaktion. Mit Hilfe der Pläne seines Vaters und der Künstlichen Intelligenz JARVIS gelingt es ihm, den perfekten Arc-Reaktor zu bauen und so die Energiewende einzuleiten.

So funktioniert die Kernfusion

Der fantastische Arc-Reaktor klingt zunächst nach einer weit hergeholten Science-Fiction-Story, hat seinen Ursprung aber in realen technischen Entwicklungen – dem Fusionsreaktor. Denn schon zu Beginn des Atomzeitalters spielten Wissenschaftler mit dem Gedanken der Stromerzeugung durch kontrollierte Kernfusion. Doch bis heute gibt es noch keinen Fusionsreaktor, der mehr Energie erzeugt als er selbst verbraucht. Durch die Hilfe von Supercomputern und Künstlicher Intelligenz (KI) könnte sich das jedoch ändern. Das Ziel sauberer und sicherer Atomenergie rückt in greifbare Nähe.

Heutige Kernkraftwerke beruhen auf dem Prinzip der Kernspaltung: Große Elemente – wie Uran – werden in einer unkontrollierten Kettenreaktion in kleinere Elemente zerlegt. Die bei Fusionsreaktoren ablaufende Kernreaktion funktioniert in die entgegengesetzte Richtung und begegnet uns täglich, da sie die Ursache dafür ist, dass die Sonne und alle leuchtenden Sterne Energie abstrahlen:

Zwei Wasserstoffisotope – Deuterium und Tritium – verschmelzen unter hohem Druck und enormer Temperatur zu einem Heliumkern unter Freisetzung eines Neutrons. Da die Massen der ursprünglichen Ausgangsprodukte größer sind als die der Reaktionsprodukte, entsteht ein sogenannter Massendefekt. Dieser ist dafür verantwortlich ist, dass laut der berühmten Formel von Einstein e=mc2 Energie freigesetzt wird. Ein einziges Gramm des Fusionsbrennstoffs liefert dabei theoretisch so viel Energie wie 11 Tonnen Kohle, ist darüber hinaus nahezu unerschöpflich auf der Erde vorhanden und erzeugt als Abfallprodukt nur kurzlebige, schwach strahlende atomare Abfälle – die (fast) perfekte Energiequelle.

Kernfusion Grafik 1
Die Reaktionsgleichung der Fusionsreaktion: Die Wasserstoff-Isotope Deuterium (2H) und Tritium (3H) verschmelzen zu einem Heliumkern (4He) unter Freisetzung eines Neutrons (n) sowie von Energie (3.5 MeV +14.1MeV). Quelle: Wikimedia

In einem Fusionsreaktor muss Plasma – ein Aggregatzustand, der entsteht, wenn man Gasen weiter Energie zuführt – auf über hundert Millionen Grad Celsius erhitzt werden. Und hier beginnen die Probleme, denn kollidieren die Teilchen mit den Reaktorwänden, kühlen diese sofort ab und die Reaktion findet ein schnelles Ende. Um dies zu verhindern, wird das Plasma von starken magnetischen Feldern eingeschlossen, wobei es sich um eine extrem komplexe Aufgabe handelt. Moderne Fusionsreaktoren haben eine Vielzahl an Steuerungsparametern, die hochgradig vom aktuellen Zustand des Reaktors, zum Beispiel dem sich verändernden Zustand der Reaktorwände, abhängen. Ein optimales Plasma zu erzeugen, erfordert somit die Optimierung von hunderten nichtlinearen und stark miteinander verknüpften Parametern, was das händische Optimieren unmöglich macht. Wie lassen sich also geeignete Parameter-Konfigurationen finden, um das Plasma möglichst lange zu erhalten?

Der Optometrist-Algorithmus führt zu besseren Ergebnissen

Um diese Frage schnellstmöglich zu beantworten, hat das amerikanische Fusions-Startup TAE Technologies gemeinsam mit Google den „Optometrist“-Algorithmus entwickelt.

Ähnlich wie ein Augenoptiker einem Patienten zwei unterschiedliche Linsen zur Verfügung stellt und fragt, mit welcher er besser sieht, zeigt „Optometrist“ einem menschlichen Experten zwei Plasma-Konfigurationen und deren experimentelles Ergebnis. Der Experte muss dann entscheiden, welche der beiden Konfigurationen das bessere Ergebnis hervorgebracht hat. Basierend auf diesen Entscheidungen lernt der Algorithmus, versteckte Muster zwischen Parametern zu erkennen, welche Menschen nicht explizit ausdrücken können. Ein Optimierungsalgorithmus nutzt diese Muster, um den hochdimensionalen Parameterraum nach schwierig zu findenden Optima zu durchsuchen und eine neue Plasma-Konfiguration vorzuschlagen.

Der Parameterraum des „C2-U“ genannten Reaktors von TAE Technologies besitzt über 1000 Dimensionen – die Suche nach einem optimalen Parameterset gleicht also der Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Für die Bewertung eines guten Plasmas sind vor allem die Dauer eines stabilen Zustands und die Temperatur der Ionen entscheidend. Vor dem Einsatz von „Optometrist“ blieb das Plasma typischerweise einige Millisekunden stabil und die Ionen-Temperatur nahm mit der Zeit ab. Mit Hilfe des Algorithmus gelang es den Forschern, ein vorher unbekanntes Plasmaverhalten zu entdecken, bei dem die Temperatur der Ionen rapide ansteigt. So war es zum ersten Mal überhaupt möglich, eine Nettoheizleistung – in der tatsächlich mehr Energie erzeugt als verbraucht wird – im Reaktor zu erzeugen. Dieses Ergebnis ist umso erstaunlicher, als dass der „Optometrist“-Algorithmus nur auf Basis von besser-schlechter Entscheidungen funktioniert und kein a priori Wissen über die Steuerung von Plasmazuständen besitzt.

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KI ermöglicht Innovationen

Der Fall von TAE Technologies und Google zeigt einerseits, dass Künstliche Intelligenz sehr eindrucksvoll bei Problemen eingesetzt werden kann, die aufgrund der unzähligen Zusammenhänge unterschiedlicher Parameter und der enormen Datenmenge für Menschen unüberschaubar sind. Andererseits wird auch klar, dass eine KI nicht aus Nicht-Wissen Wissen generieren kann. Erst durch den menschlichen Input der Experten konnte das System lernen, was ein guter Plasmazustand ist, und darauf aufbauen. Diese Eigenschaft trifft prinzipiell auf sämtliche KI-Systeme zu, da diese immer auf vom Menschen erstellten Daten basieren. Das hier gezeigte Problem einer multidimensionalen Parameter-Optimierung lässt sich nicht nur auf Fusionsreaktoren anwenden, sondern ist allgegenwärtig und hat diverse andere Anwendungsfälle, wie das Entwickeln neuer Medikamente, das Finden von einflussreichen Social-Media-Accounts für politische Kampagnen oder das Planen neuer Meeresschutzgebiete. KI wird also nicht zu Unrecht als Enabler-Technologie gesehen, die eine Bandbreite an neuen Innovationen möglich macht.

Wie geht es mit der Fusionstechnologie weiter?

Cadarache ForschungszentrumDas Cadarache Forschungszentrum in Frankreich, Ouelle: ITER

Der Einsatz von innovativen Algorithmen hat TAE Technologies zwar einen wichtigen Schritt weitergebracht, aber ein funktionsfähiges Kernfusions-Kraftwerk ist auch damit noch nicht möglich. Die größten Hoffnungen für die Fusionstechnologie liegen derzeit auf dem internationalen Projekt ITER – einem Forschungsreaktor, der bis 2025 im französischen Kernforschungszentrum Cadarache fertig gestellt wird. Bis 2035 will man dort beweisen, dass es möglich ist, die Technologie zur effizienten Stromerzeugung zu nutzen. Hierzu soll eine 10-fache Verstärkung der eingesetzten Heizleistung erreicht werden. Auch dabei könnte Künstliche Intelligenz zum Einsatz kommen, unter anderem um frühzeitig Instabilitäten im Plasma zu erkennen.

Lucas Spreiter ist Gründer der Münchner Agentur für Künstliche Intelligenz Unetiq. Schon seit seinem ersten Semester an der TU München konnte er die Hände nicht von innovativen Projekten lassen, was ihn schließlich bis zum Sieg von Elon Musks SpaceX Hyperloop Pod Competition mit WARR Hyperloop führte. Nach seinem Studium gründete er Unetiq, um anderen Unternehmen bei der Innovation ihrer Produkte mit Hilfe von interdisziplinärer Künstlicher Intelligenz zu helfen – einer Kombination aus Data Science, User Experience und Softwareentwicklung. Als stellvertretender Leiter des Bundesverbandes Künstliche Intelligenz in Bayern und Leiter der Arbeitsgruppe „Klimawandel“ beschäftigt er sich mit dem Einfluss und den Möglichkeiten von KI in Wirtschaft, Gesellschaft und das Klima.

Titelbild: Maksim Tkachenko / Getty Images

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Sehr schöner Artikel! Auch wenn die Forschung noch Jahre brauchen wird:

Wenn wir es nun schaffen, so lange durchzuhalten und sich währenddessen unsere Gesellschaft sowie Industrie schnell in Richtung Nachhaltigkeit ausrichtet/entwickelt, kann das eine sehr schöne Zukunft werden. Bin gespannt was da nun weiter passiert :slight_smile:

Nur gibt es noch neben der schwierigen Parameterbestimmung noch zahlreiche ungelöste Limitiationen, denen man sich in Hinsicht auf ITER bewusst sein sollte.

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Was haltet Ihr von dieser Initiative (Umkehr der Reihenfolge von Atom- und Kohleausstieg)? https://saveger6.de/

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Definitiv hat die Fusionsforschung noch einige Hürden zu nehmen, auch neben der Parameterbestimmung. Hartmut Zohm scheint im Interview mit Harald Lesch jedoch sehr zuversichtlich: https://www.youtube.com/watch?v=LIIfR665CdU

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Interessante Initiative. Im Hinblick auf den Klimawandel sollte man sich meiner Meinung nach die AKWs noch einmal genau ansehen. Weiß jemand wie das in anderen Ländern angegangen wird?

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Politisch dürfte es die Initiative sehr schwer haben. Aber die Vorschläge hätten es durchaus verdient, nochmal auf größerer Bühne diskutiert zu werden.

Spontan nicht für einzelne Länder. Aber der Weltklimarat geht in seinen Modellen, wie sich die globale Energieversorgung ändern müsste, im Schnitt von mehr als einer Verdoppelung der Kernkraft bis 2050 aus.

Länder, die derzeit in Ergänzung zu den auszubauenden Erneuerbaren noch verstärkt auf Kernkraft und nicht – wie Deutschland – auf Kohlekraft setzen, haben Strom, der im Schnitt einen geringeren CO2-Fußabdruck hat, wie z.B. hier erklärt wird.

Natürlich muss man bei der „klassischen“ Kernkraft auch andere Faktoren, wie das ungelöste Endlager-Problem und die Risiken von Zwischenfällen wie in Fukushima berücksichtigen.

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Ich finde es immer wieder erstaunlich, wie einfach die Grundideen von solchen Innovationen eigentlich sind.

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Woran liegt es, dass ITER dann eine Verzehnfachung der Heizleistung erreichen will?
Musste kurz darüber Nachdenken, warum Kernfusion im All (in den Sternen) allgegenwärtig ist, hier auf der Erde aber schwer zu realisieren. Wahrscheinlich liegt es grundsätzlich an der Scale ?! Die gigantische Menge Masse und Magnetfelder in Sonnen halten das Plasma konzentriert da wo es sein soll.

Ist die Größe des ITER Tokamak ein Grund für diese höhere Leistung?

Vielleicht ist es auch nicht verkehrt sich den Massendefekt als Grundlage zu nehmen und über andere Kernreaktionen nachzudenken, die man unter irdischen Bedingungen besser kontrollieren kann und so Energie erzeugt.

Einen anderen innovativen Ansatz verfolgt wohl das Fusions-startup Marvel Fusion aus München https://www.marvelfusion.io/
Sie wollen um die (gängige?!) Reaktion zu zünden Durchbrüche in der Hochenergie-Lasertechnik verwenden.

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Sterne sind extrem massenreich, weswegen in diesen ein enormer Druck vorherrscht. Diesen Druck können wir auf der Erde nicht replizieren, weswegen wir mit viel höheren Temperaturen arbeiten müssen (Sonne - ca. 15 Millionen Grad, Kernfusion auf der Erde > 100 Millionen Grad).

Ich verstehen nicht genau was du mit „andere Kernreaktionen“ meinen würdest. Marvel Fusion - so wie ich es auf deren Seite verstehe - versucht die gleiche Reaktion des Fusionsreaktors wie im Artikel beschrieben zu erzeugen. Der Unterschied besteht in der Zündung und Kontrolle der Reaktion. Hierfür gibt es verschiedene Techniken (über Strom, Laser oder Heizungen, teilweise auch kombiniert). Theoretisch könnte man das Plasma auch soweit aufheizen, dass es selbsterhaltend ist und man ab einem gewissen Punkt keine Energie mehr zuführen muss, davon sehen aber die meisten ab, da die Kontrolle dann schwieriger wird.

Um auf deine Frage mit ITER zurückzukommen - ja es gibt Größeneffekte, weswegen ITER auch so groß und teuer gebaut wird und damit zum ersten Mal richtig Energie erzeugen soll. Andere Unternehmen/Start-Ups versuchen kleinere Reaktoren zu bauen und gehen deswegen teilweise weg vom Tokamak Prinzip zu anderen Bauformen.

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Damit meine ich Reaktionen, in denen nicht Deuterium und Tritium fusionieren, um über einen Massendefekt Energie zu erzeugen, sondern andere Teile. Die Energiegewinnung durch Kernspaltung von Uran funktioniert ja auch über den Massendefekt, naja und dann halt über das Wasserkocher / Dynamo-Prinzip…

Sonst fällt mir noch die Reaktion Wasserstoff + Bor ein, wo über einen Fusionsschritt dann jedoch ein Zerfall induziert wird, wodurch 100% der Teile in Heliumionen übergehen. Dadurch wird also direkt Ladung erzeugt. Das Projekt HB11 treibt das beispielsweise voran: https://www.hb11.energy/

Hier ist ein Bild von deren Website gescreenshottet:

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Wäre das nicht etwas, was man in Zukunft vielleicht auch sehr viel schneller mit Quantenrechnern bewerkstelligen könnte? @jannemann - Gibt es in die Richtung Fusionstechnik bereits Ideen für den Einsatz von Quantencomputern?

Man müsste dabei wahrscheinlich effizient die Bewegungsgleichungen des Plasmas errechnen, um die Dynamik vorherzusagen und damit besser steuern zu können. Wahrscheinlich gibt es noch eine Menge anderer Rechenprobleme. @lucas hast du bei deiner Recherche noch mehr zu aktuellen Rechenproblemen gefunden? Finde es allein schon ziemlich cool, dass man heute mit KI neue Konfigurationen findet, die besser als alles vorherige sind :slight_smile:

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Hat sich jemand in das Thema „Schneller Reaktor“ eingearbeitet? In der letzten Zeit wurde das in der Zusammenfassung der Endlagerdiskussion nur gestreift (und de facto als Holzweg verworfen), aber ich finde die Vorstellung, dass sich die Halbwertszeit von Atommüll radikal verkürzen ließe faszinierend…

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