Kernfusion Die Energie der Sonne nutzen
Es ist der jahrzehntelange Traum von einer unerschöpflichen Energiequelle, der künstlichen Sonne auf Erden: Die Kernfusion könnte viele unserer Energieprobleme mit einem Schlag lösen - wenn sie denn schon funktionieren würde.
Seit Jahrmilliarden macht unsere Sonne nicht viel anderes, als zu scheinen – weil in ihrem Inneren Kernfusion stattfindet. Wasserstoffkerne verschmelzen dort zu Heliumkernen, was nicht nur in mehr Helium in der Sonne resultiert, sondern auch in jeder Menge freigesetzter Energie. Könnten Wissenschaftler diese Prozesse auf der Erde bändigen, stünde der Menschheit eine fast unerschöpfliche Energiequelle zur Verfügung. Seit Jahrzehnten scheitern zwar Versuche, eine solche künstliche Sonne nachzubauen – aber der Traum von Kernfusion als Energiequelle der Zukunft ist noch lange nicht ausgeträumt.
Gesehen: Unsere Sonne als Fusionsreaktor
Unsere Sonne wurde hier in drei ultravioletten Wellenlängen aufgenommen, die für das menschliche Auge sichtbar eingefärbt wurden.
Man sieht es ihr von außen gar nicht an, aber unsere Sonne nimmt ab. Pro Sekunde fusionieren in ihrem Inneren rund 600 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 596 Millionen Tonnen Helium. Das geht schon seit rund 4,6 Milliarden Jahren so. Dieser Massenunterschied von 4 Millionen Tonnen pro Sekunde sorgt dafür, dass unsere Sonne scheint, denn er wird als Energie freigesetzt. Die Kernfusion ist der Grund, warum alle Sterne scheinen. Somit ist die Kernfusion die ultimative Energiequelle in unserem Sonnensystem, die das Leben auf der Erde überhaupt erst ermöglicht. Keine Sorge: Obwohl die Sonne jeden Moment an Masse verliert, ist noch genügend "Brennstoff" für ein paar Milliarden Jahre übrig.
E=mc²: Kernfusion als unerschöpfliche Energiequelle?
Nachdem Wissenschaftler in den 1920er-Jahren verstanden hatten, warum die Sonne scheint, machte sich schnell eine weitere Einsicht breit: Wenn es gelänge, die Kernfusion auf der Erde nachzubauen, hätte man quasi eine unendliche Energiequelle zur Verfügung. Die Grundlage dafür liefert Albert Einsteins berühmte Formel E=mc². Sie beschreibt die Äquivalenz von Energie und Masse. Bei der Kernfusion verschmelzen zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren Kern. Die Masse dieses schwereren Kerns ist aber geringer als die Masse der beiden leichten Kerne zusammen. Dieser Massenunterschied wird bei der Kernfusion in Form von Energie freigesetzt. Und das nicht zu knapp: Schätzungen zufolge würde ein Gramm "Brennstoff" in einem hypothetischen Kernfusionsreaktor so viel Leistung erbringen wie die Verbrennungswärme von elf Tonnen Kohle. Viel bräuchte man also nicht.
Gesehen: Kernfusion in Wasserstoffbomben
Die Anfänge der Kernfusion - als Waffe Die Anfänge der Kernfusion auf der Erde kann man durchaus als unrühmliches Kapitel der Menschheitsgeschichte bezeichnen. Während die kontrollierte Kernfusion zur Energiegewinnung derzeit immer noch nicht möglich ist, war die unkontrollierte Variante mit schlagartiger Energiefreisetzung bereits kurz nach dem zweiten Weltkrieg in greifbarer Nähe. 1951 führten die USA Operation Greenhouse durch, eine Reihe von Tests, die als eine Art Machbarkeitsstudie für Wasserstoffbomben dienten. Hier wird ein solcher Test von VIPs beobachtet.
Gezeigt: Wie funktionieren Kernfusion und Kernspaltung?
Die bei Kernreaktionen freigesetzte Energie wird üblicherweise in "MeV" angegeben. Das steht für "Megaelektronenvolt" und ist eine Energieeinheit.
Vergleich: Wodurch unterscheiden sich Kernspaltung und Kernfusion?
- Damit Kernfusion auf der Erde möglich ist, braucht es extreme Bedingungen: zum Beispiel ein Plasma mit einer Temperatur von mehreren Millionen Grad Celsius. Erst dann können sich die leichten Kerne im Plasma nahe genug kommen, um miteinander zu verschmelzen. Die Erzeugung und Kontrolle dieses Plasmas stellt Wissenschaftler seit Jahrzehnten vor große Herausforderungen.
- Das wiederum ist eine Art von Vorteil der Kernfusion. Denn im Gegensatz zur Kernspaltung sind Kettenreaktionen unmöglich.
- Aussichtsreiche Kandidaten für Ausgangsstoffe der Kernfusion sind Deuterium und Tritium. Ein künftiges Fusionskraftwerk bräuchte von beiden Stoffen wohl rund 250 Kilogramm pro Jahr.
- Deuterium selbst ist nicht radioaktiv und kommt als schwerer Wasserstoff in quasi unbegrenzter Menge in den Erdozeanen vor.
- Tritium ist radioaktiv und hat eine Halbwertszeit von 12,3 Jahren. Auf der Erde ist es ein rares Gut. Es müsste zunächst in Kernreaktoren erbrütet werden. Später könnte es auch in den Kernfusionsreaktoren selbst erzeugt werden.
- Das Endprodukt einer Fusion von Deuterium und Tritium ist Helium, ein Edelgas. Es ist nicht radioaktiv.
- Die bei der Kernfusion entstehenden Neutronen verlassen das Plasma und treffen auf den Plasmabehälter. Sie erhitzen ihn und würden ihn auch radioaktiv aktivieren. Allerdings bewegen sich die Halbwertszeiten auf Zeitskalen von Dutzenden von Jahren. Deshalb wären bei der Kernfusion keine Endlager für radioaktiven Abfall nötig.
- Es gibt auch andere Kernfusionsprozesse, die weder Tritium als Ausgangsstoff nutzen noch schnelle Neutronen erzeugen. Diese sind aber bislang noch nicht so weit erforscht.
- Trotz jahrzehntelanger Forschung ist es bislang noch nicht gelungen, bei einem Fusionsreaktor mehr Energie herauszuholen, als man hineingesteckt hat. Deshalb befindet sich ein funktionierendes Fusionskraftwerk noch in weiter Ferne. In der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts könnte es so weit sein.
- Da bei der Kernspaltung von Uran-235 mehrere Neutronen entstehen, können diese mehrere Uran-Kerne spalten. Die so freigesetzten Neutronen können ihrerseits mehrere Uran-Kerne spalten. Kettenreaktionen gehören zur Kernspaltung quasi mit dazu.
- Das macht es notwendig, die Kettenreaktionen zu kontrollieren. Klappt das nicht, droht eine Katastrophe.
- Im Gegensatz zur Kernfusion ist die Kernspaltung weniger wählerisch, was die Ausgangsbedingungen angeht. Es braucht kein exquisit austariertes heißes Plasma von über hundert Millionen Grad Celsius.
- Das Uranisotop Uran-235 ist radioaktiv. Es ist ein auf der Erde begrenzter Rohstoff und muss daher für die Verwendung in einem Atomkraftwerk abgebaut, gereinigt und oft künstlich gegenüber dem häufigsten Uran-Isotop Uran-238 angereichert werden. Ein Atomkraftwerk benötigt meist mehrere Dutzend Tonnen Uran pro Jahr.
- Genau wie bei der Kernfusion werden bei der Kernspaltung keine fossilen Brennstoffe verbrannt. Deshalb gilt Atomstrom zwar als CO2-neutral, aber das stimmt nicht ganz. Denn Treibhausgase entstehen beispielsweise beim Uranabbau, beim Bau- und Rückbau der Kraftwerke sowie bei der Endlagerung.
- Die Spaltprodukte sind ihrerseits radioaktiv. Dieser radioaktive Abfall strahlt Jahrtausende weiter. Deshalb befindet sich auch Deutschland derzeit auf der Suche nach einem geeigneten Endlager für seinen Atommüll.
- Das erste Atomkraftwerk Deutschlands, das Kernkraftwerk Kahl in Unterfranken, geht schon 1960 in Betrieb. 1985 wird es stillgelegt, inzwischen ist es komplett rückgebaut.
- Im Rahmen der Energiewende werden in Deutschland alle Atommeiler im Jahr 2023 abgeschaltet.
Künstliche Sonne: Wie bekommt die Sonne Kernfusion hin?
Im Inneren der Sonne herrschen eine Temperatur von 15 Millionen Grad Celsius und ein Druck von 200 Milliarden Atmosphären. Normalerweise stoßen sich zwei Wasserstoffkerne aufgrund der elektromagnetischen Kraft ab, da beide elektrisch positiv geladen sind. Erst wenn sie sich so nahe sind, dass sie sich fast berühren, kann die starke Wechselwirkung, eine weitere fundamentale Kraft der Natur, ihre anziehende Wirkung entfalten. Zwei Kerne können so miteinander verschmelzen und Energie wird freigesetzt. Die extremen Bedingungen in der Sonne liefern den Kernen dort also genügend Energie, um die elektromagnetische Abstoßungskraft zu überwinden.
Gesehen: Kernfusion in einer effizienteren Sonne
Eines Tages soll die Forschungsanlage ITER ein Plasma erzeugen (hier in violett), das zehnmal so heiß wie das Sonneninnere ist.
Eigentlich ist unser Zentralgestirn ineffizient. Um mithilfe der Kernfusion Energie zu gewinnen, wollen Wissenschaftler Fusionsreaktoren bauen, die sogar effizienter als die Sonne arbeiten. Dort sollen nicht Wasserstoff und Wasserstoff zu Helium verschmolzen werden, sondern beispielsweise Deuterium und Tritium, also schwerer und superschwerer Wasserstoff. Die 15 Millionen Grad Celsius wie im Sonneninneren reichen auch nicht aus: Die Forschungsanlage ITER, die sich derzeit noch im Bau befindet, strebt eine zehnmal höhere Temperatur an. Das Gemisch aus extrem heißen Teilchen im Inneren des Reaktors nennt sich Plasma.
Gesagt: Kernfusion als Energiequelle der Zukunft?
"Stellen Sie sich vor, dass dieses Experiment überzeugend ist und dass industrielle Anwendungen folgen. Wir werden eine neue Form von Energie entwickelt haben. Eine, die umweltverträglich und sicher ist und so gut wie keine Abfallprodukte erzeugt. Eine Form von Energie, die die Bedürfnisse von Bevölkerungen weltweit befriedigt, sich den Herausforderungen des Klimawandels stellen und natürliche Resourcen erhalten kann. Mithilfe der Kernfusion kann die Kernenergie eine Industrie der Zukunft sein – noch mehr, als sie es heute schon ist."
Emmanuel Macron, französischer Staatspräsident, in einer Rede anlässlich des Montagebeginns des Fusionstestreaktors ITER am 28. Juli 2020
Gesehen: Kernfusion zur Energiegewinnung - eine weltweite Anstrengung
Der Joint European Torus JET in Culham, England JET ist bislang die erfolgreichste Fusionsanlage der Welt: Seit 1983 in Betrieb, wurde dort erstmals weltweit mit Deuterium und Tritium im Plasma gearbeitet - dem Mix, von dem Wissenschaftler annehmen, dass er auch für ein künftiges Kraftwerk gut funktionieren könnte. JET hält auch den Rekord, was Energieerzeugung mit Kernfusion betrifft. 16 Megawatt an Leistung kamen im Jahr 1997 bei einem Versuch zusammen. Allerdings mussten Wissenschaftler dafür erst 24 Megawatt hineinstecken.
Gesagt: ITER macht nur Wasser heiß
"Vielleicht ist es ein bisschen enttäuschend, wenn man erfährt, dass es, zumindest nach heutigem Stand, auch in einem künftigen Fusionskraftwerk darum gehen würde, ein Kühlmittel - zum Beispiel Wasser oder Helium - zu erhitzen. Man würde hinter die erhitzte Wand des Plasmagefäßes einen Wärmetauscher bauen. Das funktioniert wie in einem konventionellen Kraftwerk auch, dass mit dem so entstehenden Dampf Turbinen betrieben werden. Und ITER im Speziellen macht wirklich nur Wasser heiß, das als Kühlmittel dient, es gibt keine Turbinen oder dergleichen. Denn als Fusionstestreaktor wird ITER nicht an ein Stromnetz angeschlossen sein."
Hartmut Zohm, Forscher am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
Gesehen: Der lange Weg zu ITER
ITER im Modell mit Plasma Tatsächlich lautet das Ziel von ITER, zehn mal mehr Energie zu erzeugen, als man in die Maschine an Heizleistung hineingesteckt hat. 50 Megawatt rein, 500 Megawatt raus. An das Stromnetz wird ITER allerdings nicht angeschlossen sein. Es handelt sich bei ITER um ein gigantisches Experiment, das den Weg hin zu einem Demonstrationskraftwerk ebnen soll.
Gesehen: Die Zukunft der Kernfusion?
ITER ist noch nicht fertig, doch Pläne für ein Nachfolgeprojekt gibt es schon. Die Anlage DEMO würde über einen geschlossenen Tritium-Kreislauf verfügen. Das für die Kernfusion nötige Tritium würde also direkt im Kraftwerk erzeugt. Und sie würde Strom ins Netz einspeisen. DEMO wäre somit der letzte Schritt vor einem kommerziellen Fusionskraftwerk. Ob sie gebaut wird und ob damit nach Jahrzehnten, wenn nicht sogar nach einem Jahrhundert der Forschung die Kernfusion als Energiequelle erschlossen werden soll, kann heute noch niemand sagen.
