Wie funktioniert die Kernfusion und wann wird sie Realität?

Die Kernfusion ist der Prozess, der die Sonne mit Energie versorgt, bei dem leichte Atomkerne zu schwereren verschmelzen und dabei enorme Mengen an Energie freisetzen. Anders als die Kernspaltung, die in aktuellen Atomkraftwerken genutzt wird und schädlichen radioaktiven Abfall erzeugt, bietet die Kernfusion das Potenzial für eine nahezu unerschöpfliche, umweltfreundliche und intrinsisch sichere Energieversorgung. Ihre Realisierung ist jedoch mit immensen technologischen Hürden verbunden, die weltweit von Wissenschaftlern und Ingenieuren in Großprojekten wie ITER angegangen werden.

Was ist Kernfusion und wie unterscheidet sie sich von Kernspaltung?

Kernfusion ist ein physikalischer Prozess, bei dem zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren Kern verschmelzen, wobei Masse in Energie umgewandelt wird. Dies ist der gleiche Prozess, der Sterne wie unsere Sonne antreibt. Für die Energiegewinnung auf der Erde werden hauptsächlich die Wasserstoffisotope Deuterium (schwerer Wasserstoff, in Meerwasser reichlich vorhanden) und Tritium (überschwerer Wasserstoff, kann aus Lithium gebrütet werden) verwendet.

Im Gegensatz dazu ist die Kernspaltung der Prozess, bei dem schwere Atomkerne (wie Uran-235) in kleinere Kerne gespalten werden, ebenfalls unter Freisetzung von Energie. Diese Spaltung wird in den derzeitigen Kernkraftwerken genutzt. Während die Kernspaltung langlebigen, hochradioaktiven Abfall erzeugt und mit dem Risiko unkontrollierbarer Kettenreaktionen verbunden ist, produziert die Kernfusion primär Helium, Neutronen und kurzlebigen, geringradioaktiven Abfall. Ein unkontrollierbarer „Durchgehen“-Prozess ist bei der Fusion aufgrund der extremen Bedingungen für die Aufrechterhaltung des Plasmas physikalisch ausgeschlossen.

Welche Bedingungen sind für eine erfolgreiche Kernfusion erforderlich?

Um eine Kernfusion auf der Erde zu ermöglichen, müssen extreme Bedingungen geschaffen werden, die jenen im Inneren der Sonne ähneln. Zunächst muss der Brennstoff, eine Mischung aus Deuterium- und Tritiumgas, auf Temperaturen von über 150 Millionen Grad Celsius erhitzt werden – das Zehnfache der Temperatur im Sonnenkern. Bei diesen Temperaturen verwandelt sich das Gas in ein Plasma, einen Zustand der Materie, in dem Elektronen von den Atomkernen getrennt sind.

Zweitens muss dieses extrem heiße Plasma ausreichend dicht sein, damit genügend Kernkollisionen stattfinden können. Drittens muss das Plasma lange genug zusammengehalten werden, damit die Fusionsreaktionen selbst mehr Energie erzeugen, als zur Erhitzung und Aufrechterhaltung des Plasmas aufgewendet wurde – dieses Kriterium wird als „Nettoenergiegewinn“ oder auch als „Zündbedingung“ bezeichnet. Diese drei Bedingungen (Temperatur, Dichte und Einschlusszeit) sind entscheidend für eine selbsterhaltende Fusionsrereaktion.

“„Die Beherrschung der Kernfusion ist der 'Heilige Gral' der Energiewissenschaft. Die Herausforderung ist immens, aber die potenziellen Vorteile für die Menschheit sind unermesslich.“”

Welche Typen von Fusionsreaktoren werden derzeit entwickelt?

Die Forschung zur Kernfusion konzentriert sich primär auf zwei Hauptansätze: die magnetische Plasmaeinschluss (Magnetfusion) und die Trägheitsfusion.

Bei der <b>Magnetfusion</b>, dem weltweit am weitesten fortgeschrittenen Ansatz, wird das heiße Plasma durch starke Magnetfelder in einer ringförmigen Kammer eingeschlossen und von den Wänden ferngehalten. Die gängigsten Bauformen sind der Tokamak und der Stellarator. Der Tokamak, ein russisches Akronym für „toroidale Kammer mit Magnetspulen“, ist der dominierende Entwurf für Magnetfusionsreaktoren, darunter das ITER-Projekt. Der Stellarator, wie er in Greifswald am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik mit dem Wendelstein 7-X erforscht wird, verwendet komplexe, dreidimensionale Magnetfelder, um das Plasma ohne toroidalen Strom zu stabilisieren, was potenziell einen Dauerbetrieb erleichtern könnte.

Die <b>Trägheitsfusion</b> hingegen setzt auf eine extrem schnelle Kompression und Erhitzung eines kleinen Brennstoffkügelchens (Pellets) mittels hochenergetischer Laser- oder Teilchenstrahlen. Diese Kompression erzeugt genügend Dichte und Temperatur für eine kurze Fusionsreaktion. Das wichtigste Experiment auf diesem Gebiet ist die National Ignition Facility (NIF) in den USA, die im Dezember 2022 einen entscheidenden Durchbruch erzielte, indem sie zum ersten Mal mehr Energie aus einer Fusionsreaktion gewann, als die Laser in das Pellet eingekoppelt hatten.

Welche Bedeutung haben ITER und Wendelstein 7-X für die Fusionsforschung?

<b>ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)</b> ist das weltweit größte wissenschaftliche Kooperationsprojekt und wird derzeit in Cadarache, Frankreich, gebaut. Als Tokamak soll ITER die Machbarkeit der Kernfusion im industriellen Maßstab demonstrieren und wurde konzipiert, um das Zehnfache der eingespeisten Heizleistung (50 MW) zu erzeugen, also 500 MW Fusionsleistung. Partner sind die EU, China, Indien, Japan, Südkorea, Russland und die USA. Die erste Plasmaerzeugung wird für 2025 angestrebt, und ein voller Deuterium-Tritium-Betrieb ist für die späten 2030er Jahre geplant. Er dient als Blaupause für künftige kommerzielle Fusionskraftwerke.

Das deutsche Projekt <b>Wendelstein 7-X</b> in Greifswald, betrieben vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), ist der größte und modernste Stellarator der Welt. Sein Hauptziel ist es, die Eignung des Stellarator-Prinzips für ein künftiges Fusionskraftwerk zu untersuchen, insbesondere hinsichtlich des Dauerbetriebs. Der Stellarator hat den Vorteil, dass er einen stabilen Plasmaeinschluss ohne induzierten Strom aufrechterhalten kann, was den Dauerbetrieb erleichtert. Experimente am Wendelstein 7-X haben bereits beeindruckende Leistungen gezeigt und die hervorragende Qualität der magnetischen Feldkonfiguration bestätigt.

Wann wird Kernfusion kommerziell verfügbar sein?

Obwohl die Grundlagenforschung enorme Fortschritte gemacht hat, ist der kommerzielle Einsatz der Kernfusion noch Jahrzehnte entfernt. Die ersten experimentellen Fusionsreaktoren wie ITER sollen den Nettoenergiegewinn demonstrieren und wichtige Daten für die Entwicklung nachfolgender Kraftwerke liefern. Nach ITER sind Demonstrationskraftwerke (DEMO) geplant, die den Stromerzeugungsprozess komplettieren und die technische Machbarkeit eines kommerziellen Betriebs unter Beweis stellen sollen.

Experten schätzen, dass die ersten kommerziellen Fusionskraftwerke frühestens in den 2050er Jahren ans Netz gehen könnten. Diese Schätzung beinhaltet noch die Entwicklung neuer Materialien, die den hohen Neutronenfluss im Reaktor standhalten können, sowie die Optimierung der Deuterium-Tritium-Brennstoffzyklen. Private Unternehmen investieren ebenfalls zunehmend in die Fusionstechnologie, was die Entwicklung beschleunigen könnte, indem sie neue, oft kompaktere Reaktorkonzepte verfolgen.

Welche Vorteile und Herausforderungen birgt die Kernfusion?

Die Kernfusion verspricht eine Vielzahl von Vorteilen. Der Brennstoff ist nahezu unbegrenzt: Deuterium kann aus Meerwasser gewonnen werden (etwa 30 Milligramm pro Liter), Lithium für die Tritium-Erzeugung ist relativ reichlich vorhanden. Fusionskraftwerke produzieren keinen klimaschädlichen Kohlenstoffdioxid und nur kurzlebigen, geringradioaktiven Abfall. Das Risiko eines Kernschmelzeunfalls ist physikalisch ausgeschlossen, da jeder Fehler im System zum Zusammenbruch des Plasmas und damit zum Erlöschen der Fusionsreaktion führen würde.

Die Herausforderungen sind jedoch beträchtlich. Sie umfassen die Fähigkeit, das Plasma über lange Zeiträume stabil zu halten, die Entwicklung hitzebeständiger und neutronenresistenter Materialien für die Reaktorwände (sogenannte 'Erste Wand'), die effiziente Extraktion des Tritiums und dessen Produktion im Reaktor selbst ('Tritium-Brüten'), und natürlich die schiere Komplexität und die hohen Kosten des Reaktorbaus. Allein das ITER-Projekt beläuft sich auf geschätzte 20 Milliarden Euro, was die immense Investition und den langen Atem verdeutlicht, die für diese Technologie erforderlich sind.

Häufig gestellte Fragen

Ist Kernfusion sicher?

Ja, Kernfusion gilt als intrinsisch sicher. Im Gegensatz zur Kernspaltung gibt es keine Möglichkeit einer unkontrollierbaren Kettenreaktion oder eines Kernschmelzens. Unterbricht man die extremen Bedingungen (Temperatur, Dichte, Magnetfelder) auch nur für den Bruchteil einer Sekunde, bricht die Fusionsreaktion sofort ab und das Plasma kühlt ab.

Welche Brennstoffe werden für die Kernfusion verwendet?

Für die gängigste Fusionsreaktion werden die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium als Brennstoff verwendet. Deuterium ist reichlich in Meerwasser vorhanden. Tritium ist radioaktiv, hat aber eine kurze Halbwertszeit von etwa 12,3 Jahren und kann direkt im Fusionsreaktor aus Lithium gebrütet werden.

Produziert Kernfusion radioaktiven Abfall?

Ja, Fusionsreaktionen produzieren einige radioaktive Isotope. Insbesondere der Neutronenfluss aus der Fusionsreaktion kann die Reaktorstrukturen aktivieren. Allerdings ist dieser Abfall im Vergleich zur Kernspaltung deutlich geringer, seine Radioaktivität ist weniger intensiv und hat eine deutlich kürzere Halbwertszeit, oft nur Jahrzehnte, anstatt tausende von Jahren.

Wie viel Energie kann ein Fusionskraftwerk erzeugen?

Ein Fusionskraftwerk von etwa einem Gigawatt (GW) elektrischer Leistung könnte den Strombedarf einer Großstadt decken. Die Energieausbeute ist extrem hoch: Nur etwa ein Gramm Fusionsbrennstoff könnte die gleiche Energiemenge liefern wie etwa 8 Tonnen fossiler Brennstoffe.

Was ist der Unterschied zwischen Tokamaks und Stellaratoren?

Beide sind Konzepte der Magnetfusion, unterscheiden sich aber in ihrer Plasmakontrolle. Ein Tokamak erzeugt das Plasma und seine Stabilisierung durch Induktion eines Stroms im Plasma selbst, was ihn pulsiert betreibt. Ein Stellarator hingegen verwendet äußerst komplexe, extern erzeugte Magnetfelder, die von Natur aus stabil sind und einen kontinuierlichen Betrieb ohne Plasmastrom ermöglichen.

Gibt es schon Fusionskraftwerke in Betrieb?

Nein, derzeit gibt es weltweit noch keine kommerziellen Fusionskraftwerke. Die größten Projekte wie ITER befinden sich noch in der experimentellen oder Bauphase. Wissenschaftler arbeiten intensiv daran, die Technologie zur Marktreife zu bringen, aber der Weg dahin ist noch lang.