Die USA sind in der Fusionsforschung einen entscheidenden Schritt weiter gekommen. Ziel ist die Schaffung einer sauberen und nahezu unendlichen Energiequelle nach dem Vorbild der Sonne. Von der Praxisreife ist die Technik aber noch weit entfernt.
Die jüngsten Erfolge von US-Forschern bei der Kernfusion wurden weltweit als Durchbruch gefeiert. Wie berechtigt ist der Hype? Wir beantworten wichtige Fragen dazu.
Was haben die Forscher gemacht?
An der National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien wurde bei der Verschmelzung der Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium zu Helium erstmals ein Energiegewinn erzielt. Den Angaben zufolge setzte die Fusion gut das Anderthalbfache der Energie frei, die in Form von Laserstrahlung eingesetzt wurde, um den Prozess in Gang zu bringen. Außen vor bleibt dabei die Energie, die nötig war, um Laserlicht der nötigen Intensität zu erzeugen. Rechnet man diesen Effekt mit ein, ergibt sich eine deutlich negative Energiebilanz.
Constantin Häfner hält diese Art der Berechnung jedoch für wenig sinnvoll. Es sei bei dem NIF-Experiment nicht darum gegangen, Energie zu gewinnen, sagt der Beauftragte für Fusionsforschung bei der Fraunhofer-Gesellschaft. „Ziel war es, im kleinen Maßstab zu zeigen, dass sich mit Laserlicht ein Plasma zünden lässt, in dem Atomkerne miteinander verschmelzen können. Und das ist gelungen.“
An welchen Fusionstechnologien wird gearbeitet?
Die NIF-Forscher setzen auf die sogenannte Trägheitsfusion. Dabei werden zwei Millimeter große Kügelchen, die gefrorenes Deuterium und Tritium enthalten, in einem goldbeschichteten Zylinder platziert. Dieser wird mit konzentrierten Laserstrahlen beschossen, wobei Röntgenstrahlung entsteht. Dadurch heizen sich die Kügelchen so stark auf, dass ihre Hülle abgesprengt wird. Der Inhalt wird extrem komprimiert und erwärmt sich auf bis zu 120 Millionen Grad Celsius. Dabei verschmelzen die Atomkerne von je zwei Wasserstoffatomen zu einem Heliumkern, wobei Energie in Form von Wärme frei wird.
Die meisten Fusionsforscher nutzen bislang eine andere Technik, die sogenannte Magnetfusion. Dabei wird ein bis zu 150 Millionen Grad heißes Plasma in starke Magnetfelder eingeschlossen. Denn es gibt keinen Werkstoff, der solche Temperaturen überstehen würde. Auf dieses Prinzip setzt auch der Forschungsreaktor Iter, der im Rahmen einer internationalen Kooperation in Südfrankreich gebaut wird. Hinzu kommen verschiedene Varianten der beiden grundlegenden Strategien. So will das deutsche Start-up Marvel Fusion Bor- und Wasserstoffkerne verschmelzen.
Welche technischen Probleme sind noch zu lösen?
Bei der Trägheitsfusion ist es bislang nur gelungen, eine Fusion in einem einzelnen Wasserstoffkügelchen in Gang zu setzen. „Um ein Kraftwerk betreiben zu können, müssten in jeder Sekunde zehn bis zwanzig dieser Kügelchen gezündet werden“, so Häfner. Das erfordere noch viel Entwicklungsarbeit in der Lasertechnik. Forschungsbedarf sieht der Physiker auch beim Kraftwerksdesign. Ähnlich wie bei heutigen Kraftwerken müsste auch in einem Fusionsreaktor die entstehende Wärme über ein Kühlmittel abgeführt und zum Antrieb von Generatoren genutzt werden. Anders als bei der Trägheitsfusion stehe bei der Magnetfusion der praktische Nachweis noch aus, dass sich damit ein Energiegewinn erzielen lässt. „Bislang ist es nur gelungen, für kurze Zeit ein Plasma aufrechtzuerhalten“, sagt Häfner. Dafür sei man hier in der Kraftwerkstechnik schon etwas weiter.
Wann könnte es erste Fusionskraftwerke geben?
Beobachter witzeln gerne darüber, dass Fusionsforscher seit den Anfängen ihrer Arbeit verkünden, die Technik sei in 30 Jahren marktreif. Trotz der jüngsten Fortschritte gehen Experten auch jetzt nicht davon aus, dass schon bald erste Kraftwerke ans Netz gehen können. Häfner kann sich immerhin vorstellen, dass das um 2045 herum der Fall sein könnte. Daraus folge, „dass diese Technik bis dahin kaum einen Beitrag zu einer CO2-neutralen Energieversorgung leisten kann“. Der Ausbau der erneuerbaren Energien müsse daher mit Hochdruck weitergehen, sagt der Fraunhofer-Forscher. Es sei auch nicht auszuschließen, dass sich die hohen Erwartungen an die Kernfusionen am Ende nicht erfüllen. „Aber wenn es funktioniert, wäre es der Heilige Gral der Energieversorgung.“ Einsatzmöglichkeiten für eine saubere und nahezu unbegrenzte Energiequelle gebe es mehr als genug. Häfner nennt als Beispiele die Meerwasserentsalzung, die Entfernung von CO2 aus der Atmosphäre oder die Produktion von grünem Wasserstoff für die Industrie.
Wie weit sind deutsche Forscher?
Bei der Magnetfusion sei Deutschland im internationalen Vergleich sehr gut aufgestellt, sagt Häfner. Die größte hiesige Forschungseinrichtung ist das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching. Bei der Trägheitsfusion lägen die USA vorne. Doch auch hier kämen viele Schlüsseltechnologien aus Deutschland zum Einsatz. Neben der öffentlich geförderten Forschung gibt es auch umfangreiche private Aktivitäten. Nach Fraunhofer-Angaben arbeiten weltweit 30 Unternehmen im Bereich Magnetfusion, und sechs Unternehmen setzen auf die Trägheitsfusion. In Deutschland sind vier Start-ups in der Fusionsforschung tätig.
Prinzip
Bei der Kernfusion, die in ähnlicher Weise in der Sonne stattfindet, verschmelzen die Kerne zweier Wasserstoffatome zu einem Heliumkern. Normalerweise würden sich die positiv geladenen Kerne abstoßen. Um eine Fusion in Gang zu setzen, braucht es extreme Temperaturen und Drücke, durch die ein Plasma entsteht.
Fusion
In einem Plasma sind Atomkerne und negativ geladene Elektronen vollständig voneinander getrennt. Die Atomkerne prallen so schnell aufeinander, dass sie miteinander verschmelzen können.
Energie
Ein größerer Atomkern benötigt weniger Energie, um zusammengehalten zu werden, als ein kleiner. Die überschüssige Bindungsenergie wird bei der Fusion frei. Es sind gewaltige Energiemengen: Aus einem Gramm Wasserstoff könnte in einem Reaktor theoretisch so viel Energie entstehen, wie in elf Tonnen Kohle enthalten ist. Im Gegensatz zur Kernspaltung entstehen bei der Kernfusion kaum problematische radioaktive Rückstände. Diese haben zudem vergleichsweise kurze Halbwertszeiten – ihre Radioaktivität nimmt also relativ schnell ab.
