Kernfusion
Die Kernfusion ist ein physikalischer Prozess, bei dem zwei Atomkerne verschmolzen werden. Dadurch wird Energie freigesetzt. Es ist derselbe Prozess, der in der Sonne und anderen Sternen abläuft und deren Energie liefert. Die Kernfusion könnte eine ressourcenschonende und effiziente Energiequelle sein, befindet sich aber aktuell noch im Stadium der Grundlagenforschung.
Inhaltsverzeichnis:
- Was ist Kernfusion?
- Wie funktioniert die Kernfusion?
- Was ist ein Kernfusionsreaktor?
- Was ist der Unterschied zwischen Kernfusion & Kernspaltung?
- Kritik an der Kernfusion
- Forschungsstand zur Kernfusion
- Wie wird Kernfusion in Deutschland wahrgenommen?
- Wann wird Kernfusion möglich sein?
- Wichtige Begriffe rund um die Kernfusion
Was ist Kernfusion?
Vor etwa 100 Jahren wurde die Kernfusion als Energiequelle der Sonne entdeckt. Wissenschaftler:innen wurde klar: Wenn es gelänge, die Kernfusion auf der Erde nachzubauen, hätte man eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle zur Verfügung. Die Grundlage dafür liefert Albert Einsteins Formel E = mc², die die Äquivalenz von Energie und Masse beschreibt. Im Vergleich zur Kernspaltung, bei der schwere Atomkerne gespalten werden, kommt es bei der Kernfusion zur Verschmelzung zweier Atomkerne, wodurch Energie freigesetzt wird. Und das nicht zu knapp: Schätzungen zufolge würde ein Gramm „Brennstoff“ – also ein Gemisch aus leichten Wasserstoffisotopen wie Deuterium und Tritium, die bei der Fusion verschmelzen – in einem hypothetischen Kernfusionsreaktor so viel Leistung erbringen wie die Verbrennungswärme von elf Tonnen Kohle. Bisher ist es noch nicht gelungen, aus dem Kernfusionsprozess nutzbare Energie zu gewinnen.
Kernfusion auf der Sonne
Es handelt sich bei der Kernfusion um einen grundlegenden Mechanismus, der in der Sonne und allen Sternen stattfindet und das Leben auf der Erde ermöglicht. Der riesige Plasmaball der Sonne besteht überwiegend aus Wasserstoff. Bei der Kernfusion in der Sonne verschmelzen folglich vor allem Wasserstoffkerne zu Helium – die bei diesem Prozess erzeugten Energien erwärmen und beleuchten die Erde. Im heißen Inneren des Sonnenzentrums brennt ein beständiges Fusionsfeuer: In jeder Sekunde „verbrennen“ dort 600 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 596 Millionen Tonnen Helium. Trotz hoher Temperatur und extremem Druck – 15 Millionen Grad und 200 Milliarden Atmosphären – läuft die Fusion in der Sonne recht langsam ab.
Warum könnte die Kernfusion für die Zukunft wichtig sein ?
Die Kernfusion gilt als eine vielversprechende Energiequelle der Zukunft, da sie sehr viel mehr Energie liefert als etwa fossile Brennstoffe. Sie ist sicherer und produziert weniger radioaktiven Abfall als die Kernspaltung. Die Kernfusion hat das Potenzial, eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle für die Zukunft zu sein.
Warum wird bei einer Kernfusion Energie freigesetzt?
Bei der Kernfusion verschmelzen zwei leichtere Atomkerne und bilden einen schwereren Atomkern, der jedoch leichter ist als die beiden einzelnen Kerne zusammen. Dieser Massenunterschied wird in Form von Energie freigesetzt.
Wie funktioniert Kernfusion technisch?
Die Herausforderung der Kernfusion besteht darin, die hohe Temperatur und den Druck zu erreichen, die für die Aufrechterhaltung der Fusion erforderlich sind, und gleichzeitig die erzeugte Energie effizient zu nutzen. Um den Kernfusionsprozess in einem Fusionsreaktor in Gang setzen zu können, muss das sogenannte Fusionsplasma, ein heißes, geladenes Gas aus Wasserstoffisotopen, auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden – für die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium etwa auf Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius. Bei der Fusion eines Deuterium- und Tritium-Kerns entsteht ein Helium-Kern und ein Neutron. Das Neutron trägt die freigewordene Energie in Form von Bewegungsenergie (Neutronenstrahlung).
Welche Verfahren der Kernfusion gibt es?
Weltweit wird mehrheitlich an der sogenannten Deuterium-Tritium-Fusion (D-T-Fusion) auf Basis der Magnetfusion geforscht. In diesem Fall soll die Kernfusion mittels eines Magnetfeldes realisiert werden. Bei der D-T-Fusion werden die chemischen Elemente Deuterium, nicht radioaktiv, gewonnen aus dem Meer, und das radioaktive Tritium, gewonnen aus Lithium, einem Element, das sich beispielsweise in Gestein oder Salzlaken findet, als Brennstoffe verwendet.
Eine weitere magnetfeldfreie Art der Kernfusion ist die sogenannte Laser- bzw. Trägheitsfusion. Dabei wird ein gefrorenes Deuterium-Tritium-Kügelchen von möglichst vielen Seiten mit hochenergetischen Lasern oder Teilchenstrahlen (aus Ionenbeschleunigern) beschossen. Die Oberfläche des Kügelchens verdampft explosionsartig und es entsteht eine sehr energiereiche, nach innen gerichtete Druckwelle. Das Innere des Kügelchens wird extrem komprimiert (Implosion), wodurch die Temperatur so ansteigt, dass es zu einer kleinen, kontrollierbaren nuklearen Explosion kommt.
Was ist eine kalte Fusion?
Als kalte Fusion bezeichnet man Verfahren, die eine als Energiequelle nutzbare kontrollierte Kernfusion von Wasserstoffisotopen herbeiführen sollen und dazu keine thermonukleare Reaktion, also kein Plasma mit hoher Temperatur und Dichte, benötigen.
Physikalische Grundlage
Mit der Formel zur Masse-Energie-Äquivalenz stellte Albert Einstein fest, dass Masse und Energie äquivalente Größen sind und zwischen diesen Größen der fundamentale Zusammenhang E = mc² existiert. Diese Gleichung ist die Grundlage für das Verständnis der Energiefreisetzung durch Kernspaltung und Kernfusion sowie vieler weiterer physikalischer Prozesse.
Was ist ein Kernfusionsreaktor?
Ein Kernfusionsreaktor oder Fusionsreaktor ist die technische plasmabasierte Anlage, in der die Kernfusion von Deuterium und Tritium als thermonukleare Reaktion kontrolliert ablaufen soll. Die beiden Brennstoffe werden in dem Reaktor auf über 100 Millionen Grad Celsius erhitzt, sodass es zur Verschmelzung der Atomkerne kommt. Die dabei freigesetzte Energie soll dann in Strom umgewandelt und ins Stromnetz eingespeist werden.
Fusionsreaktoren, die zur Stromerzeugung in einem Fusionskraftwerk geeignet wären, existieren noch nicht. Die Forschung konzentriert sich aktuell hauptsächlich auf die Reaktorkonzepte Tokamak und Stellarator (siehe Abschnitt „Wichtige Begriffe rund um die Kernfusion“). Beide Entwurfsmuster beruhen auf der Technik der Magnetfusion. Die wichtigsten europäischen Forschungsreaktoren sind die Tokamaks ASDEX Upgrade in Garching bei München, JET in Culham in Großbritannien sowie der Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald. Das aktuell größte Projekt ist der internationale Forschungsreaktor ITER, ein Tokamak, der seit 2007 in Cadarache in Südfrankreich gebaut wird und bis 2025 in Betrieb genommen werden sollte – inzwischen ist allerdings von 2035 die Rede.
Kernfusion:
Zwei leichte Atomkerne (meist Deuterium und Tritium) verschmelzen zu einem neuen Kern (Helium). Dabei wird sehr viel Energie freigesetzt – wie in der Sonne. Es entsteht kaum radioaktiver Müll, und unkontrollierte Kettenreaktionen sind nicht möglich, was die Technologie grundsätzlich sicherer macht. Allerdings ist die technische Umsetzung sehr aufwendig und bisher nicht wirtschaftlich nutzbar.
Kernspaltung:
Ein schwerer Atomkern (z. B. Uran-235) wird gespalten, wobei Energie und radioaktive Spaltprodukte entstehen. Dabei laufen Kettenreaktionen ab: Bei jeder Spaltung werden Neutronen freigesetzt, die weitere Spaltungen auslösen – eine sich selbst fortsetzende Reaktion. Diese muss ständig kontrolliert werden, da sie sonst außer Kontrolle geraten kann. Die Technik ist erprobt, erzeugt jedoch langlebigen radioaktiven Abfall und birgt Sicherheitsrisiken.
Sind die Risiken bei Kernfusionswerken mit Atomkraftwerken vergleichbar?
Die Kernfusion hat wesentlich weniger Risiken als die Kernspaltung bzw. Kernkraft. In der Brennkammer befindet sich immer nur so viel Brennstoff, wie gerade verbrannt wird – etwa ein Gramm Deuterium und Tritium verteilt auf ein Volumen von rund tausend Kubikmetern. Der sehr dünne Brennstoff besitzt daher trotz der hohen Temperaturen eine niedrige Leistungsdichte, vergleichbar der einer Glühbirne. Das radioaktive Tritium kann also sicher eingeschlossen werden. Bei einem Unfall während der Kernfusion könnte die radioaktive Wasserstoffvariante Tritium zwar entweichen. Das würde aber wesentlich weniger Radioaktivität freisetzen als bei Unfällen in Kernkraftwerken.
Gehört Kernfusion zu den erneuerbaren Energien? Und was sind die Vorteile?
Kernfusion zählt nicht zu den erneuerbaren Energien. Sie ist rein stofflich betrachtet sehr effizient – sehr wenig Brennstoff gäbe schon sehr viel Energie ab. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen entstehen bei der Kernfusion zudem weder Luftverschmutzung noch langlebige radioaktive Abfälle, wie etwa bei der Kernspaltung.
Weitere Vorteile:
Im Vergleich zu Wind- und Solarkraftwerken hätten Fusionsreaktoren auch den Vorteil, unabhängig vom Wetter sehr viel Energie erzeugen zu können. Außerdem würden sie vermutlich viel weniger Fläche benötigen.
Kritik an der Kernfusion
Es gibt auch Kritikpunkte in Bezug auf die Kernfusion. Zum einen fallen beim Bau der Reaktoren Treibhausgase an, etwa für Herstellung und Transport der Baustoffe und beim Betrieb der Baumaschinen. Einige argumentieren zudem, dass die Entwicklung von Fusionsreaktoren teuer ist und es noch viele technische Herausforderungen zu überwinden gilt. Außerdem wird die Frage nach der Endlagerung und Entsorgung von radioaktivem Tritium, das bei der Fusion erzeugt wird, kontrovers diskutiert.
Ein weiterer Kritikpunkt ist die lange Zeitspanne, die für die kommerzielle Umsetzung benötigt wird – und die falschen Hoffnungen, Kernfusion könne bereits in der jetzigen Klimakrise helfen. Kritiker:innen weisen darauf hin, dass in der öffentlichen Darstellung häufig der Eindruck entsteht, die Marktreife von Fusionsreaktoren stehe kurz bevor und könne zeitnah einen entscheidenden Beitrag zum Klimaschutz leisten. Gleichzeitig fließen Milliarden Euro an Subventionen und Forschungsgeldern in die Kernfusionsforschung – Gelder, die aus ihrer Sicht gezielter in den beschleunigten Ausbau erneuerbarer Energien investiert werden sollten. Auch könne man aktuell nicht sagen, wie viel eine Kilowattstunde Fusionsstrom kosten würde. Bei den hohen Investitionskosten und den komplizierten technischen und physikalischen Prozessen, die vor, während und nach der Kernfusion stattfinden, ist jedoch anzunehmen, dass Fusionsenergie deutlich teurer als erneuerbarer elektrischer Strom wäre.
Forschungsstand zur Kernfusion
Forscher:innen auf der ganzen Erde arbeiten an der Erforschung und Entwicklung von Fusionsreaktoren, um diese vielversprechende Energiequelle zu erschließen. Die bisherigen Experimente zur kontrollierten thermonuklearen Fusion weisen bisher noch keine positive Energiebilanz auf.
Im Oktober 2023 wurde ein Weltrekord erzielt, was der Forschungsbund EuroFUSION im Februar 2024 öffentlich machte. Eine Energiemenge von 69 Megajoule sei im Reaktor JET in Großbritannien durch das Verschmelzen von Wasserstoffisotopen freigesetzt worden – 69 Megajoule Energie reichen jedoch gerade mal aus, um das Wasser in drei gut gefüllten Badewannen auf Wellnesstemperatur zu bringen. Mit der Energie, die für den Betrieb des Reaktors insgesamt aufgewendet wurde, hätte man mehr als 100 Badewannen erwärmen können. Das Ziel der Forschung ist es weiterhin, dieses Verhältnis von Energieaufwand zu Energiegewinn umzukehren und somit die Energiebilanz zu verbessern.
Im Feld der Laserfusion gibt es mittlerweile eine Reihe finanziell stark ausgestatteter Start-up-Unternehmen, die eine schnelle kommerzielle Umsetzung anstreben. Verlässliche zeitliche Schätzungen liegen dazu aber noch nicht vor.
Wie wird Kernfusion in Deutschland wahrgenommen?
In Deutschland wird Kernfusion, anders als die klassische Kernspaltung, in der Öffentlichkeit oft als vielversprechende Technologie zur künftigen Energieerzeugung wahrgenommen. In der Fusion wird eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle gesehen, die potenziell dazu beitragen kann, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren und den Klimawandel effektiv anzugehen. Diese positive Wahrnehmung wird durch die Beteiligung Deutschlands am internationalen ITER-Projekt zur Fusionsforschung gestärkt.
Im Koalitionsvertrag der Bundesregierung unter Kanzler Friedrich Merz ist vorgesehen, in Deutschland den weltweit ersten Strom liefernden Fusionsreaktor zu bauen. Geplant ist eine Regulierung außerhalb des Atomrechts. Eine solche Regulierung wird von Fachleuten allerdings kritisch bewertet.
Wann wird Kernfusion möglich sein?
Die Reaktoren, die aktuell in Betrieb sind, dienen lediglich der Forschung der technischen Grundlagen. Ein erstes Kraftwerk könnte in Jahrzehnten gebaut werden. Die aktuell im Bau befindliche Anlage ITER in Frankreich soll Mitte bis Ende der 2030er-Jahre zum ersten Mal Plasma erzeugen, aus dem sich Energie gewinnen lässt. Der erste Demonstrationsreaktor, der zu Testzwecken an das europäische Stromnetz angeschlossen werden kann, soll rund 20 Jahre später laufen – also Mitte der 2050er-Jahre. Ein Fusionsreaktor als normaler Bestandteil im Kraftwerkspark eines Energieversorgers ist somit erst deutlich später zu erwarten.
Die Plasmaphysik ist ein Bereich der Physik, der sich mit dem Verhalten von Plasma befasst. In Bezug auf die Kernfusion spielt die Plasmaphysik eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung und Aufrechterhaltung des notwendigen heißen Plasmas, in dem die Fusion stattfindet.
ITER ist ein internationales Fusionsforschungsprojekt und steht für „International Thermonuclear Experimental Reactor“ (dt. „Internationaler Thermonuklearer Experimenteller Reaktor“). Gebaut wird dieser seit 2007 in Frankreich. Der Reaktor soll die Machbarkeit der Fusionsenergie demonstrieren und als Prototyp für zukünftige Fusionskraftwerke dienen.
Diese Reaktoren sind hypothetische Kraftwerke, die Energie aus Fusion nutzen, um Elektrizität zu erzeugen. Solche Reaktoren befinden sich noch in der Entwicklungsphase, aber sie könnten eine emissionsarme und nahezu unerschöpfliche Energiequelle darstellen. Eine große Herausforderung ist das Kosten-Nutzen-Verhältnis bzw. das Schaffen einer positiven Energiebilanz.
Der Tokamak ist ein torusförmiger, also ringförmiger Typ eines Fusionsreaktors, der auf der Methode des magnetischen Plasmaeinschlusses beruht. Ein Plasma aus Wasserstoffisotopen in einem torusförmigen Gefäß wird durch ein starkes Magnetfeld zusammengehalten. Dieses Feld wird teilweise von einem im Plasma fließenden elektrischen Strom erzeugt. Der Tokamak kommt auch in Kernfusionsreaktoren ITER zum Einsatz.
Der Stellarator ist ein ringförmiger Typ eines Fusionsreaktors, der wie der Tokamak auf magnetischen Plasmaeinschluss setzt. Im Gegensatz zum Tokamak erzeugt der Stellarator das Magnetfeld vollständig durch äußere Magnetspulen, ohne dass ein Strom durch das Plasma fließt. Dies ermöglicht einen stabileren Dauerbetrieb, ist jedoch technisch aufwendiger in der Konstruktion. Ein bekanntes Beispiel ist der Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald, einer der weltweit größten Forschungsreaktoren seiner Art.
Deuterium ist ein Wasserstoffisotop, das in Kernfusionsreaktoren als Brennstoff verwendet wird. Es ist relativ einfach verfügbar und tritt in natürlichem Wasser in geringer Konzentration auf. Die Deuterium-Tritium-Reaktion der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium ist eine Art der Kernfusion, bei der ein Deuteriumkern mit einem Tritiumkern verschmilzt. Daraus entstehen ein Helium-4 Atomkern (HE-4-Atomkern), ein freies Neutron und eine Energie von 17,6 MeV. Es handelt sich dabei um die bekannteste Fusionsreaktion für Fusionsgeräte. Auch Atombomben enthalten einige Gramm eines Deuterium-Tritium-Gemischs.
Tritium ist ein Wasserstoffisotop, das zur Fusion verwendet wird. Es ist radioaktiv und muss im Reaktor erzeugt werden – gewonnen aus Lithium, einem Element, das sich beispielsweise in Gestein oder Salzlaken findet. Die Fusion von Deuterium und Tritium erzeugt Helium und setzt große Mengen Energie frei.
Dabei handelt es sich um eine Methode, mit der Plasma von hoher Dichte und hoher Ionenenergie mit Hilfe eines elektrischen Feldes erzeugt wird. Die ersten Geräte dieser Art wurden nach ihren Entwicklern auch als Farnsworth-Hirsch-Fusor oder Hirsch-Meeks-Fusor bekannt.
Bei der Bor-Proton-Reaktion oder Bor-Proton-Fusion (p-B11) wird Energie gewonnen mittels einer Kernreaktion von Protonen (Wasserstoff-Atomkernen) und Bor-11-Atomkernen. Da dabei kein Neutron entsteht, wird sie oft als „reine“ Fusion bezeichnet. Die Prozesse der Bor-Proton-Reaktion erfordern eine viel höhere Temperatur, bis sie mit ähnlicher Häufigkeit ablaufen wie Deuterium-Tritium-Verschmelzungen.
Der Energiegewinn ist der Nettoenergieoutput aus dem Reaktor abzüglich der Energie, die für die Aufrechterhaltung des Plasmas und des Reaktorbetriebs aufgewendet wird. Ein Fusionsreaktor ist dann wirtschaftlich, wenn er mehr Energie erzeugt, als zur Betreibung benötigt wird.
