Forschende kündigen Durchbrüche in der Kernfusion an – aber wie grün ist die Energie?

Die Energiegewinnung aus Kernfusion ist noch einige Jahrzehnte entfernt, obwohl jedes Jahr neue Fortschritte gemacht werden. Aber wie schneidet die Fusionsenergie im Vergleich zur Kernspaltungsenergie ab?

Autor Mark Newton:

Übersetzung Lara Sophie Sander, 21.09.22

Fusionsenergie mag noch wie Science-Fiction anmuten, doch jüngsten Meldungen zufolge könnte sie schon bald eine reale Option werden. Ein experimenteller Fusionsreaktor in Südkorea war in der Lage, den Fusionsbetrieb 20 Sekunden lang aufrechtzuerhalten – eine beachtliche Leistung, wenn man bedenkt, dass das Forschungsgebiet noch in den Kinderschuhen steckt.

Tatsächlich wurde die Leistung des Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) im Jahr 2020 erzielt, aber erst jetzt wurde die Technologie vollständig von Fachleuten überprüft und in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Der Tokamak – ein donut-förmiges Gerät, das die thermonukleare Fusion steuert – war in der Lage, Ionentemperaturen von 100 Millionen Grad Celsius zu erreichen, etwa siebenmal heißer als unsere Sonne. Vor diesem Durchbruch hatte der KSTAR die 100 Millionen Grad nur 10 Sekunden halten können.

Der KSTAR nutzt starke Magnetfelder, um ein ultraheißes Plasma zu erzeugen und zu stabilisieren, dessen Wärme dann zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Anders als bei der gewöhnlichen Kernspaltung, bei der Atomkerne durch eine Kettenreaktion getrennt werden, werden bei der Kernfusion die Kerne miteinander verschmolzen, wodurch enorme Energiemengen erzeugt werden. Theoretisch könnte die Kernfusion, wenn die Anlage der Aufgabe gewachsen ist, die Prozesse unserer Sonne nachahmen und nahezu unbegrenzte Energie mit nur einfachen Rohstoffen und ohne Emissionen liefern. Denn die meisten Fusionsreaktoren verwenden als Grundlage für den Prozess Wasserstoffisotope, die häufig aus Meerwasser gewonnen werden.

Das Hauptproblem bei der Fusionsenergie ist zweiteilig. Erstens verbrauchen die derzeitigen Experimente mehr Energie als sie erzeugen und der Schlüssel zur Überwindung dieses Problems ist die Aufrechterhaltung hoher Temperaturen über einen längeren Zeitraum. Das zweite Problem ist der Ausfall mechanischer Teile. Bei den enormen Temperaturen können die Geräte schnell großen Schaden nehmen. Der Schlüssel zum Erfolg des KSTAR war der Einsatz interner Transportbarrieren (ITB), um den Einschluss und die Stabilität der Reaktion zu kontrollieren.

Der KSTAR ist nicht der einzige Reaktor, der die Grenzen der Energiewissenschaft verschiebt. Mit ähnlichen Tokamak-Anlagen wie MAST im Vereinigten Königreich, ITER in Frankreich oder EAST in China sind Forscher*innen ebenfalls bemüht, die Geheimnisse der Kernfusion zu entschlüsseln. Es ist sogar möglich, dass der Rekord von KSTAR bereits gebrochen wurde – durch das koreanische Team selbst. Es könnte seinen eigenen Rekord im vergangenen Jahr übertroffen haben, während China behauptet, dass sein Reaktor im Jahr 2021 101 Sekunden lang Temperaturen von 120 Millionen Grad Celsius erreicht habe. Andere Ansätze, wie die deutsche Anlage Wendelstein 7-X, verwenden Stellaratoren – von KI entwickelte Magnetspulen – , die das überhitzte Plasma an Ort und Stelle halten. Diese ermöglichen zwar stabilere Reaktionen als Tokamaks, sind aber schwieriger zu erhitzen.

Wendelstein 7-X in Deutschland verwendet eine andere Methode als KSTAR zur Erforschung der Kernfusion

In jedem Fall sind solche Durchbrüche ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Fusionsenergie. Einige Forschende vermuten, dass ein voll funktionsfähiger Fusionsreaktor in den 2040er Jahren realisierbar sein könnte.

Fusion vs. Spaltung

Für viele sind die Experimente mit der Kernfusion ein Alarmsignal sein. Angesichts der noch nicht lange zurückliegenden Katastrophen von Tschernobyl und Fukushima haben einige Staaten – wie Deutschland – versucht, sich von der Kernenergie abzuwenden. Die Kernspaltung kann zwar zuverlässig große Mengen an Energie erzeugen, birgt aber bei falscher Handhabung erhebliche Kernschmelzrisiken, produziert langfristig radioaktive Abfälle und könnte als Sprungbrett für Atomwaffen dienen.

Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass Kernfusion und Kernspaltung nicht dasselbe sind. Beide nutzen nukleare Prozesse (d. h. die Manipulation der Atomkerne), aber darüber hinaus gibt es kaum Ähnlichkeiten. Die Internationale Atomenergiebehörde (IAEA) geht sogar davon aus, dass die Fusionsenergie eine der umweltfreundlichsten Energiequellen sein könnte.

Während bei der Kernspaltung ein schwereres Element in ein leichteres gespalten wird, werden bei der Fusion zwei leichtere Elemente zu einem schwereren zusammengefügt. In beiden Fällen wird aufgrund der unterschiedlichen Bindungsmassen der Kerne Energie freigesetzt. Bei der Fusionsenergie wird die Differenz oder „fehlende Masse“ über die Einstein’sche Gleichung E=mc2 in Energie umgewandelt. Da „c“ (die Lichtgeschwindigkeit) sehr groß ist, kann selbst eine kleine Menge fehlender Masse in eine riesige Menge Energie umgewandelt werden.

Die Kernspaltung verwendet radioaktive Brennstoffe wie Uran 235 – ein relativ seltenes Element, das aus dem häufiger vorkommenden Uran angereichert werden muss – wohingegen bei der Fusion hauptsächlich Wasserstoffisotope wie Deuterium und Tritium verwendet werden. Diese Wasserstoffisotope werden dann in Reaktoren auf eine ausreichend hohe Temperatur überhitzt, um die so genannte Coulomb-Barriere zu überwinden und sie miteinander zu verschmelzen. Damit genügend Energie erzeugt werden kann, muss diese Reaktion lange genug aufrechterhalten werden, um eine Abkühlung zu verhindern.

Für die Fusionsenergie wird Uran benötigt, ein radioaktives Element, das im Boden abgebaut wird

Die Kernfusion hat gegenüber der Kernspaltung mehrere entscheidende Vorteile. Ihr Grundbrennstoff – Wasserstoff – ist das am leichtesten verfügbare Element im Universum und nicht radioaktiv. Es muss nicht abgebaut werden, kann leicht aus Wasser synthetisiert werden und ist nicht giftig. Beim Fusionsprozess entstehen auch keine Treibhausgase und kein Kohlendioxid. Das einzige Nebenprodukt ist Helium, ein wertvolles Gas, das weltweit nur in geringen Mengen vorhanden ist, und das leicht radioaktive Isotop Tritium. Im Gegensatz zu den radioaktiven Abfällen aus der Kernspaltung hat Tritium eine kurze Halbwertszeit (12,3 Jahre), nach der es wieder für die Stromerzeugung verwendet werden kann.

Die Kernfusion gilt außerdem als inhärent sicher, und es besteht keine Gefahr einer Kernschmelze. Bei der Kernspaltung geht es nicht um die Erzeugung großer Wärmemengen, sondern um deren Eindämmung. Da die Kernspaltung auf einer Kettenreaktion beruht, sind große Mengen an Kühlmittel erforderlich, um die Temperatur stabil zu halten. Wenn diese Kühlmittel erschöpft sind oder aus anderen Gründen nicht zur Verfügung stehen, kann ein Spaltungsreaktor schnell seine Sicherheitsgrenzen überschreiten, was zu einer Kernschmelze führt.

Bei der Kernfusion ist das Gegenteil der Fall. Die Herausforderung besteht vielmehr darin, die Temperatur überhaupt erst aufrechtzuerhalten. Wenn ein Fusionsreaktor beschädigt oder anderweitig beeinträchtigt wird, sinkt die Temperatur und die Reaktion schaltet sich einfach ab.

Schließlich können Fusionsreaktoren nicht zur Entwicklung von Waffen verwendet werden. Wasserstoffbomben nutzen zwar die gleichen Methoden wie die Kernfusion, benötigen aber eine Spaltbombe, um die erforderliche Wärme zu erzeugen. Da der Fusionsbrennstoff ständig eingespritzt und verbraucht wird, reicht seine Menge nie aus, um die für eine Kernexplosion erforderliche sofortige Energie zu erzeugen.

Fusionsreaktoren sind mit erheblichen finanziellen Investitionen verbunden

Aber natürlich hat auch die Kernfusion ihre Schattenseiten. Erstens ist Deuterium zwar in Wasser leicht verfügbar, aber die Hauptquelle für Tritium stammt aus Kernspaltungsreaktoren. Man bräuchte also eine kleine Anzahl von Kernspaltungsreaktoren – mit allen damit verbundenen Risiken – um Tritium für Fusionsreaktoren zu produzieren, zumindest so lange, bis ein ausreichend großer Vorrat produziert wurde. In einigen Fällen wird bei den Reaktionen auch Lithium verwendet, ein Metall, das aus dem Bergbau gewonnen werden muss.

Ein weiteres Problem ist die Strahlung der Komponenten selbst. Die intensiven Neutronenströme des Reaktors könnten seine Wände beschädigen, wodurch längerfristig radioaktive Abfälle entstehen und möglicherweise austreten könnten. Es werden zwar Abdeckmaterialien entwickelt, um dieses Risiko zu minimieren, doch bleibt es ein ständiges Problem.

Das vielleicht größte Hindernis ist jedoch die Wissenschaft selbst. Es gibt noch viel zu tun, um den Prozess der Kernfusion vollständig zu ergründen. Auch die Forscher*innen selbst haben die Funktion der oben genannten ITBs noch nicht vollständig erkannt. Diese wissenschaftlichen Hürden in Verbindung mit den enormen wirtschaftlichen Kosten haben dazu geführt, dass die Fusionsenergie schon seit Jahren immer „noch dreißig Jahre entfernt ist“.

Aber die Klimakrise findet natürlich schon jetzt statt. Auch wenn die Kernfusion eine risikoarme Lösung für nahezu unbegrenzte Energie zu sein scheint, können wir nicht davon ausgehen, dass sie uns in naher Zukunft zur Verfügung stehen wird. Aber es gibt ja bereits andere Methoden der Enerhiegewinnung, die gut erforscht sind, schon eingesetzt werden und noch weiterentwickelt werden können.

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