Kernfusion könnte viele Energieprobleme lösen - so lautet die Verheißung. Daran arbeiten neben Forschungsinstituten auch immer mehr Start-ups. Auch von der Politik kommt viel Geld für die Fusionsforschung. Kritiker sehen den jüngsten Hype skeptisch.
Die Kernfusion hat auf dem Weg zu einer möglichen Nutzung als Energiequelle laut Wissenschaft zuletzt wichtige Meilensteine verzeichnet. "In der Fusionsforschung hat es schon sehr signifikante Fortschritte gegeben, die die breite Öffentlichkeit ermutigen, dass das doch kein Luftschloss ist, an dem ewig herumgebastelt wird", sagt Thomas Klinger, Leiter des Fusionsexperiments "Wendelstein 7-X" bei Greifswald. Auch die Politik habe die "Ohren gespitzt".
Wissenschaftliche und organisatorische Fortschrite
Vor einem Jahr hatten Forscher in den USA gemeldet, erstmals bei einem Fusionsexperiment mithilfe von Lasern mehr Energie erzeugt zu haben als direkt hineingesteckt wurde. Hinzu kommen laut Klinger Meilensteine in der Kernfusionsforschung mittels Magneten, etwa Anfang 2021 in Großbritannien oder ein Jahr später in Greifswald.
Markus Roth von der Technischen Universität Darmstadt verweist auch auf die wachsende Zahl von Start-ups, die die Kernfusion belebten. Sie hätten teils private Investitionen im Milliardenbereich eingeworben. Roth hat selbst eine deutsch-amerikanisches Start-up mitgegründet im Bereich der Laserfusion. Deutsche Politiker hatten in zurückliegenden Monaten zusätzliches Geld für die Fusionsforschung zugesagt.
Stärkere Zusammenarbeit von Forschung und Industrie
Kritiker sagen hingegen, die Erwartungen seien überschätzt. Die Kernfusion komme als mögliche Energiequelle zu spät und der Fokus sollte stärker auf erneuerbare Energien, Netze oder Speicher gelegt werden.Das Bundesforschungsministerium wird nach Angaben von Forschungsministerin Bettina Stark-Watzinger in den kommenden fünf Jahren „insgesamt über eine Milliarde Euro“ in die Fusionsforschung investieren. „Fusion ist die riesige Chance, all unsere Energieprobleme zu lösen“, erklärte die FDP-Politikerin am 5. September in Berlin. Die Frage sei nicht mehr, ob die Fusion komme, sondern vielmehr, ob Deutschland dabei sei.
Es gehe darum, ein „Fusions-Ökosystem mit der Industrie“ zu schaffen, damit ein Fusionskraftwerk in Deutschland schnellstmöglich Wirklichkeit werde, betonte Stark-Watzinger. In einem Positionspapier zum Thema hatte das Ministerium im Juni auf einen steigenden Energiebedarf verwiesen, parallel zur eingeleiteten Energiewende weg von der Stromerzeugung durch die Verbrennung fossiler Energieträger. „Fakt ist: Wir brauchen sichere, grundlastfähige, bezahlbare und CO2-neutrale Energiequellen“, heißt es darin.
Wie funktioniert das Prinzip der Kernfusion?
Bei der Kernfusion werden Atomkerne anders als in Reaktoren von herkömmlichen Atomkraftwerken verschmolzen statt gespalten. Theoretisch ließen sich damit sehr große Energiemengen erzeugen – und das klimaneutral.
Ende vergangenen Jahres hatten Forscher der staatlichen National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory im US-Bundesstaat Kalifornien einen Durchbruch gemeldet: Erstmals sei bei einem Fusions-Experiment mehr Energie erzeugt als verbraucht worden. Offen ist aber weiterhin, ob und wann die Technik zur Energiegewinnung im großen Maßstab einsetzbar ist.
Wirklich ein technologischer Durchbruch?
Im Dezember 2022 wurde erstmals beim Verschmelzen von Atomkernen mehr Energie gewonnen als verbraucht, wie US-Energieministerin Jennifer Granholm damals verkündete. „Einfach ausgedrückt ist dies eine der beeindruckendsten wissenschaftlichen Leistungen des 21. Jahrhunderts.“
Die Ergebnisse wurden von einem Forscherteam erzielt und bedeuten einen Meilenstein auf dem Weg zur Erschließung einer neuen Energiequelle. In Zukunft könnte mithilfe der Kernfusion womöglich klimaneutral und sicher Strom in riesigen Mengen erzeugt werden. Allerdings dürfte es bis zur kommerziellen Nutzung des Verfahrens wegen weiterhin großer technischer Hürden noch ein weiter, viele Jahre andauernder Weg sein.
Verschmelzung statt Spaltung
Sowohl Kernkraft als auch Kernfusion gewinnen Energie aus den Bindungskräften von Atomkernen. Bei der Kernkraft werden jedoch große Atome gespalten. Es entsteht unter anderem radioaktiver Abfall und es drohen schwere Unfälle.
Bei der Kernfusion hingegen werden kleine Atomkerne zu größeren verschmolzen – fusioniert –, die Technologie gilt als sauber und sicher. Diese Form der Energiegewinnung ähnelt den Vorgängen in Sternen wie der Sonne.
Wie lief das Fusionsexperiment ab?
Die Forschenden in Kalifornien nutzten für ihre Experimente die weltstärkste Laseranlage, um winzige Mengen von schwerem und überschwerem Wasserstoff (Deuterium und Tritium) in Millionen Grad heißes Plasma zu wandeln. Dabei erhitzen knapp 200 Laser das Innere eines wenige Millimeter großen Behälters.
Bei dem Experiment wurde nur die Energiebilanz des Plasmas selbst angegeben. Dabei wird nicht berücksichtigt, wie viel Strom zum Beispiel in die Laser geflossen ist, also die Gesamtbilanz. Für eine künftige Stromerzeugung ist entscheidend, dass die Gesamtbilanz der Fusion positiv ist, was sie weiterhin bisher noch längst nicht ist. Zudem ist zu berücksichtigen, dass die erzeugte Energie thermisch anfällt, bei der Übertragung in Strom kommt es hier in der Regel zu großen Verlusten.
Kimberly Budil, Direktorin des Lawrence Livermore National Laboratory, erklärte, die Anlage benötige etwa 300 Megajoule Energie, um zwei Megajoule Laserenergie zu liefern, die drei Megajoule Fusionsausbeute erzeugten. Berechnungen weisen demnach darauf hin, dass es mit einem Lasersystem im größeren Maßstab möglich ist, eine Ausbeute von Hunderten Megajoule zu erzielen. „Es gibt also einen Weg zu einem Ziel, das genügend Ertrag bringt. Aber davon sind wir im Moment noch sehr weit entfernt.“
Unerschöpfliche Energiequelle nach dem Vorbild der Sonne
Mit zwei Litern Wasser und einem halben Pfund Gestein lässt sich der Strombedarf einer Familie für ein ganzes Jahr decken: Die Kernfusion nach dem Vorbild der Sonne soll der Menschheit eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle erschließen.
Vor fast 32 Jahren, am 9. November 1991, holten Forscher das Sonnenfeuer auf die Erde: Für zwei Sekunden brannte die erste kontrollierte Kernfusion der Welt im europäischen Experimentalreaktor JET (Joint European Torus) im britischen Culham bei Oxford.
Der internationale Testreaktor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), der seit 2007 beim südfranzösischen Kernforschungszentrum Cadarache im Bau ist, soll der Technik künftig den Weg in die Praxis ebnen. Dieser Weg verläuft allerdings noch holprig.
Kernfusion: Energie aus der Sonne
Die Kernfusion gewinnt enorme Mengen Energie, indem sie leichte Atomkerne zu schwereren verschmilzt. Unsere Sonne leuchtet vor allem durch die Fusion von Wasserstoff, dem leichtesten chemischen Element, zum nächst schwereren, Helium. Nach diesem Vorbild sollen irdische Fusionsreaktoren die Wasserstoffvarianten Deuterium und Tritium zu Helium verschmelzen.
Deuterium, auch als schwerer Wasserstoff bezeichnet, lässt sich aus normalem Wasser gewinnen. Tritium, sogenannter superschwerer Wasserstoff, kann ein Reaktor aus dem Leichtmetall Lithium erbrüten, das sich in Gestein findet – Fusionsbrennstoff ist vergleichsweise billig und im Überfluss vorhanden.
JET: Internationaler Experimentalreaktor
Das Fusionsfeuer zu zünden und vor allem kontrolliert aufrecht zu erhalten, ist jedoch technisch äußerst anspruchsvoll und erfordert wahrhaft höllische Bedingungen: Der Brennstoff muss auf Temperaturen von etwa 100 Millionen Grad Celsius aufgeheizt und das entstehende heiße Plasma von extremen Magnetfeldern berührungsfrei in der Brennkammer eingeschlossen werden. Berührt das Plasma die Reaktorwand, erlischt das Fusionsfeuer sofort.
Bislang hat noch kein Testreaktor mehr Energie erzeugt als in das Aufheizen und Einschließen des Plasmas hineingesteckt werden musste. Die Fusionspremiere bei JET 1991 lieferte nicht einmal ein Zehntel der Energiemenge, die zur Zündung des Feuers nötig war. Sechs Jahre später holte JET immerhin zwei Drittel der eingesetzten Energie zurück. Für eine positive Energiebilanz ist JET jedoch zu klein.
ITER: Die Zukunft der Kernfusion
Die soll nun ITER (lateinisch: der Weg) demonstrieren und dabei mindestens zehnmal so viel Energie gewinnen wie hineingesteckt werden muss. ITER ist ein seit 2007 im Bau befindlicher Kernfusionsreaktor und internationales Forschungsprojekt, das in der Zukunft Strom aus Fusionsenergie erzeugen.
Der Komplex befindet sich beim Kernforschungszentrum Cadarache unweit des Ortes Saint-Paul-lès-Durance in Südfrankreich (Departement Bouches-du-Rhône, rund 60 km nordöstlich von Marseille). Hier wurden auch die Prototypen zwischen 1967 und 2010 drei Schnelle Brüter betrieben. Diese sogenannten Brutreaktoren sind Kernreaktor, die zur Energiegewinnung und gleichzeitigen Erzeugung spaltbaren Materials dienen.
Tokamak-Prinzip
Bereits in Betrieb in Cadarache ist der Tore Supra: ein Fusionsreaktor vom Typ Tokamak, bei dem die Kernfusion mittels supraleitender Magneten funktioniert. Nach Angaben des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik im bayerischen Garching sind „weltweit die meisten Anlagen heute vom Typ Tokamak.
Das Tokamak-Prinzip wurde von den sowjetischen Physikern Andrei Sacharow und Igor Jewgenjewitsch Tamm im Jahr 1952 erfunden. Noch im selben Jahrzehnt wurden die ersten Tokamak-Experimente in der Sowjetunion durchgeführt.
ASDEX Upgrade
Der zurzeit größte Tokamak-Fusionsreaktor ist JET. ITER würde ihn – so die Tokamak-Anlage fertiggestellt werden sollte – noch weit übertreffen.
In Deutschland wird derzeit an einem Tokamak-Fusionsreaktor geforscht: ASDEX Upgrade am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching bei München (seit 1991 in Betrieb).
Wendelstein 7-X
Bei Wendelstein 7-X (W7-X) am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswalds (seit Dezember 2015 in Betrieb) handelt es sich um eine Anlage vom Typ Stellarator. Wie beim Tokamak ist die Anlage torusförmig – also aufgebaut wie Rettungsring oder Reifen.
Den Aufbau haben beide Systeme gemeinsam, die Herstellung von heißem Plasma ist allerdings unterscheidlich. Wie genau durch ein Magnetfeld Energie erzeugt wird, ist sehr kompliziert. Das Stellarator-Prinzip könnte in der Praxis allerdings den Vorteil haben, dass es für den Dauerbetrieb eines Kernfusionsreaktor besser geeignet ist als das Tokamak-Prinzip. Hier besteht das Problem, den Strom im Plasma dauerhaft fließen zu lassen.
TEXTOR
Ein weiteres Kernfusionsexperiment TEXTOR war von 1983 bis 2013 im Forschungszentrum Jülich in Betrieb. Auch dieser Forschungsreaktor basierte auf dem alternativen Tokamak-Prinzip.
Wohin mit dem radioaktiven Abfall?
„Die nächsten Entwicklungsziele der Fusionstechnologie sind der Dauerbetrieb, die Herstellung eines fusionsfähigen Plasmas und vor allem die Erzeugung nutzbarer Energie daraus“, sagt der Energieforscher Volker Handke vom Institut für Zukunftsstudien und Technologiebewertung (IZT) in Berlin. „Ungeklärt sind der Umgang mit den zu entsorgenden radioaktiven Reaktormaterialien sowie die zukünftige Rolle der Kernfusion im Energiesystem.“
Fusionsreaktoren erzeugen weniger und vor allem deutlich kurzlebigere Radioaktivität als die Kernspaltung. Ganz ohne Strahlenmüll kommen sie allerdings nicht aus. Für Tausende Jahre sichere Endlager wie für den radioaktiven Abfall der Spaltreaktoren sind jedoch nicht nötig, wie die Befürworter der Technik betonen. Nach 100 Jahren ist demnach die Radioaktivität auf ein Zehntausendstel abgeklungen.
Als weiteren wichtigen Vorteil führen Befürworter die Klimafreundlichkeit ins Feld, denn die Kernfusion produziert keine Treibhausgase. Nach ihrer Ansicht könnte die Fusion im Energiemix der Zukunft die Grundlast im Stromnetz übernehmen.
ITER: Milliardengrab oder Zukunftstechnologie?
ITER hat allerdings mit Verzögerungen und stark steigenden Kosten zu kämpfen. Die Fertigstellung des ursprünglich auf rund fünf Milliarden Euro veranschlagten Reaktors war zunächst für 2018 geplant. Inzwischen rechnen die Betreiber nicht vor 2035 mit dem ersten Plasma. Und selbst dieser Zeitplan steht in den Sternen.
Die Kosten des von der EU, China, Indien, Japan, Korea, den USA und Russland getragenen Projekts sind derweil auf mehr als 50 Milliarden Euro geklettert. „Gemäß aktuellem Wissensstand werden weitere Jahrzehnte vergehen, bevor die Kernfusion in relevanter Weise energetisch genutzt werden kann“, sagt IZT-Energieexperte Handke.
Kritikern verschlingt das zu viel Geld und dauert zu lange. Nach Ansicht der Umweltorganisation Greenpeace ließe sich in der Zeit bis zur Kraftwerksreife der Kernfusion die gesamte weltweite Stromerzeugung auf erneuerbare Energien umstellen.
Energiequelle für Millionen Jahre?
Der 2022 verstorbene frühere ITER-Generaldirektor Bernard Bigot betonte dagegen stets das große Potenzial der Technik.
„Heute stammen 80 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs aus fossilen Brennstoffen, und wir wissen alle, dass diese Ressourcen nicht ewig zur Verfügung stehen“, sagte der Chemiker zu seinem Amtsantritt 2015. „Mit der Fusionsenergie haben wir eine . Sie nutzbar zu machen ist eine Gelegenheit, die wir nicht auslassen können.“
