Die kontrollierte Kernfusion wird 25
9. November 2016
Es war ein Meilenstein für die Entwicklung der Kernfusionstechnik: Am 9. November 1991 zündeten Forscher des Versuchsreaktors Joint European Torus (JET) im britischen Culham erstmals ein Kernfusionsplasma, das stark genug war, um zwei Sekunden lang Energie zu liefern.
Die Forscher waren dem Traum, die Energie der Sonne in einen vom Menschen kontrollierten Raum zu sperren, ein ganzes Stück näher gekommen. Seitdem ist die Entwicklung von Fusionsreaktoren immer weiter vorangeschritten. Aber das große Ziel - nutzbare Energie dauerhaft durch Kernfusion in einem Reaktor zu gewinnen - liegt immer noch in weiter Ferne.
Hier die wichtigsten Fragen und Antworten zur Kernfusion:
Was ist Kernfusion?
Kernfusion ist eine Art von Kernreaktion. Es ist der Prozess, mit dem zum Beispiel unsere Sonne ihre Energie produziert. Unter extrem hohen Temperaturen von vielen Millionen Grad Celsius verschmelzen dort Atomkerne der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium. Dabei entsteht Helium, ein Neutron und jede Menge Energie - genug jedenfalls, dass die Fusion auf der Sonne nicht zum Stillstand kommt.
Nicht nur auf der Sonne bzw. auf anderen Sternen oder in Versuchs-Fusionsreaktoren wie dem JET findet Kernfusion statt. Auch Wasserstoffbomben funktionieren durch Kernfusion. Hierbei dient eine konventionelle Atombombe, die durch Kernspaltung ihre Energie freisetzt, als Zünder, um die erforderlichen Temperaturen und den Druck zu erzeugen.
Welche Vorteile hätte Kernfusion gegenüber Kernspaltung
Bei der Kernspaltung aus Uran oder Plutonium in klassischen Kernkraftwerken fallen verschiedene radioaktive Spaltprodukte an. Diese können zwar zum Teil zu neuen Brennelementen aufbereitet werden aber am Ende bleiben immer radioaktive Abfälle zurück. Diese müssen für Tausende bis Zehntausende von Jahren sicher endgelagert werden.
Bei der Kernspaltung entstehen keine derartigen radioaktiven Abfälle, sondern nur das Edelgas Helium. Ein weiterer Vorteil: Kernfusion erlischt, wenn kein neuer Brennstoff zugeführt wird. Eine Kettenreaktion wie im klassischen Kernkraftwerk findet nicht statt. Also kann ein Fusionsreaktor auch nicht außer Kontrolle geraten.
Wie fängt man in einem Fusionsreaktor die Sonnenkräfte ein?
Ein Fusionsreaktor besteht aus einem ringförmigen Magnetfeld, erzeugt durch riesige und starke supraleitende Elektromagneten. Mit Mikrowellenöfen heizt man das Zentrum des Ringes so stark auf, dass dort ein heißes Plasma entsteht. Es muss so heiß werden, dass eine Kernfusion beginnen kann. Gezündet wird diese, wenn der Treibstoff - Deuterium und Tritium - hinzugegeben wird. Ziel ist es, ein Fusionsplasma zu erzeugen, dass sich - ähnlich wie auf der Sonne - durch die eigene Energie der Kernfusion selbst immer weiter am Leben erhält.
Tokamak und Stellarator - Warum gibt es unterschiedliche Designs von Reaktor-Ringen?
Die klassischen Fusionsreaktoren, wie das JET-Experiment, oder auch der im Bau befindliche südfranzösische Versuchsreaktor ITER haben sogenannte Tokamaks. So bezeichnet man Reaktorringe, die in der Form eines Torus symetrisch sind und eine glatte, gerade Form haben, wie ein aufgeblasener Autoreifen. Die einfache Form der Tokamak-Ringe führt dazu, dass das Magnetfeld einen sogenannten torrodialen Strom entlang des Ringes erzeugen muss um einen kontinuierlichen Plasmafluss zu gewährleisten. Gäbe es den nicht, würde die Kernfusion unterbrochen. Die Erzeugung eines stabilen torrodialen Stroms ist jedoch für den Dauerbetrieb noch ungelöst.
Eine andere Lösung ist der sogenannte Stellarator. Dabei handelt es sich um eine aufwendig errechnete geometrische Ringform, wie sie zum Beispiel beim Versuchsreaktor Wendelstein 7-x in Greifswald zum Einsatz kommt. Sie hat den Vorteil, dass kein torrodialer Strom aufrechterhalten werden muss und der Plasmastrom im Ring von sich aus stabiler ist. Daher ist das Design vielversprechend für eine spätere Anwendung in einem Kraftwerk im Dauerbetrieb.
Wie bekommt man das Plasma stabil?
Die bisherigen Fusionsexperimente seit den 1960er Jahren konnten zeigen, dass es möglich ist, für einen sehr kurzen Zeitraum eine Kernfusion zu zünden. Auch war es möglich für längere Zeit ein nicht-zündfähiges Plasma, welches also von außen erzeugt werden musste, aufrechtzuerhalten. Bisher ist es aber noch nicht gelungen, langfristig ein sich selbsterhaltendes Plasma durch Kernfusion zu erzeugen. Dazu ist eine bestimmte Energiedichte im Reaktorring erforderlich, die keine der bisherigen Anlagen erreichen konnte. Die Temperaturen im Kern des Ringes müssen dauerhaft deutlich über 100 Millionen Grad Celsius liegen.
Der Versuchsreaktor ITER, der seit 2007 im Bau ist und frühestens 2025 fertig werden soll, wird der erste Versuchsreaktor sein, der theoretisch in der Lage wäre, ein solches Plasma zu erzeugen, das sich auch selbst ohne zusätzliche Energiezufuhr erhalten kann. Geht alles nach Plan könnte dieses für mehrere Minuten oder sogar Stunden aufrechterhalten bleiben.
Was fehlt, um ein Kraftwerk zu bauen
Falls es beim ITER gelingt, ein sich selbst erhaltendes Plasma zu erzeugen, ist dennoch der Weg zu einem Fusionskraftwerk noch sehr weit. Denn es gibt noch einige Probleme, die die Ingenieure zunächst lösen müssen. Das größte Problem ist das der Hitze: Wie kann es gelingen, dem Reaktor immer wieder neuen Brennstoff zuzuführen und gleichzeitig die im Reaktorkern erzeugte Energie so wegzuleiten, dass sie nutzbar wird?
Auch wenn die extrem hohen Temperaturen nur im Innersten des Reaktorringes herrschen, so sind doch die Gase, die man aus dem Reaktor abführt mit etwa 1000 Grad Celius noch sehr heiß. Kaum Materialien halten diese Belastung in einem Betrieb über Jahre und Jahrzehnte aus. An dieser Frage arbeiten Materialforscher jetzt mit Hochdruck - denn an der Lösung dieser Frage hängt die Zukunft der Kernfusion.