Fusionsreaktor: Löst Fusionsenergie unsere Energieprobleme?
Was ist Fusionsenergie? Welche Vorteile und Herausforderungen bietet sie? Wir beschäftigen uns in diesem Ratgeber mit den grundsätzlichen Fragen zu Fusionreaktoren.
3D-Rendering von einem Fusionsreaktor mit dem glühenden Plasma, das von einem Magnetfeld aufrechtgehalten wird.
Foto: PantherMedia / MarkoAliaksandr
In regelmäßigen Abständen werden neue Rekorde in Sachen Fusionsenergie berichtet, doch noch ist kein Fusionsreaktor über die Forschungsebene hinausgekommen. Mit Hilfe der Kernfusion soll die Kraft der Sonne zur Energieerzeugung genutzt werden – Optimisten versprechen sich eine unerschöpfliche und günstige Energiequelle. Wir haben uns in diesem Ratgeber mit den grundsätzlichen Fragen und Herausforderungen zu diesem Thema beschäftigt.
Was ist Fusionsenergie?
Fusionsenergie ist eine vielversprechende Art, Energie zu gewinnen, die auf dem gleichen Prinzip beruht, das die Sonne scheinen lässt. Im Fixstern fusionieren pro Sekunde rund 600 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 596 Millionen Tonnen Helium – und das seit etwa 4,6 Millionen Jahren. Bei der Fusionsenergie verschmelzen leichte Atomkerne, in der Regel Wasserstoffisotope, zu schwereren Kernen und setzen dabei enorme Mengen Energie frei.
Die Grundlagen der Fusionsenergie sind folgende:
- Kernfusion: Die Grundidee der Fusionsenergie besteht darin, Atomkerne, normalerweise Deuterium und Tritium (beides Wasserstoffisotope), so zu erhitzen und zusammenzuführen, dass sie zu einem schwereren Kern verschmelzen. Dieser Prozess setzt hohe Mengen Energie frei. Gemäß der berühmten Formel E = mc² (Energie ist gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat).
- Hohe Temperaturen: Um die notwendige kinetische Energie für die Fusion zu erreichen, müssen die Wasserstoffisotope auf hohe Temperaturen erhitzt werden, typischerweise auf Millionen von Grad Celsius. Dies geschieht in einem sogenannten Fusionsreaktor.
- Kontrolle des Plasmas: Das erhitzte Gas aus Wasserstoffisotopen, das sogenannte Plasma, wird in einem Magnetfeld eingeschlossen, um seine Temperatur und Dichte aufrechtzuerhalten. Dieses Feld wird in einem Gerät namens Tokamak oder Stellarator erzeugt.
- Energiegewinnung: Eine erfolgreiche Fusion erzeugt eine enorme Wärme, die sich in elektrische Energie umwandeln lässt. Diese kann man zur Stromerzeugung oder anderen Zwecken nutzen.
Fusionsenergie umzusetzen ist technisch äußerst anspruchsvoll. Es gab und gibt in der Forschung große Anstrengungen, um sie in der Zukunft als umweltfreundliche Energiequelle zu etablieren. Verschiedene internationale Projekte, wie etwa ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) in Frankreich, arbeiten daran, die Technologie zu entwickeln und zu verfeinern. Ziel ist die kommerzielle Nutzung von Fusionsenergie – allerdings verzögern sich viele Projekte immer wieder.
Welche Vorteile bietet Fusionsenergie?
Im Vergleich zu anderen Energiequellen bietet die Fusionsenergie viele Vorteile:
- Hohe Energieausbeute: Fusionsreaktionen setzen erhebliche Energiemengen frei. Die Ausbeute von Fusionsenergie pro Kilogramm Brennstoff ist etwa viermal höher als bei der Kernspaltung. Das bedeutet, dass Fusionskraftwerke große Mengen Elektrizität erzeugen können – bei geringer Brennstoffmenge und geringeren Kosten.
- Unbegrenzte Brennstoffreserven: Der Hauptbrennstoff für Fusionsreaktionen ist Wasserstoff, insbesondere die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium. Während Deuterium im Wasser reichlich vorhanden sind, umfasst der weltweite Tritiumvorrat weniger als 20 Kilogramm. Aber: Im Fusionskraftwerk kann Tritium direkt aus dem gut verfügbaren Element Lithium mithilfe der während des Prozesses entstehenden Neutronen produziert werden. Diese Brennstoffquellen sind also unbegrenzt verfügbar – im Gegensatz zu begrenzten Brennstoffen wie Öl und Kohle.
- Geringe Umweltauswirkungen: Fusionsenergie hat im Vergleich zu anderen Energiequellen kaum Auswirkungen auf die Umwelt. Sie herzustellen produziert weder einen Kohlendioxid-Ausstoß, noch erzeugt sie viel radioaktiven Abfall. Es gibt zwar kurzlebige radioaktive Nebenprodukte, diese sind aber viel einfacher zu handhaben als der Müll aus Kernspaltungsreaktoren.
- Sicherheit: Fusionsreaktoren sind intrinsisch sicherer als Kernspaltungsreaktoren. Im Fall eines Störfalls würde das Plasma im Reaktor aufgrund seiner hohen Temperatur und Dichte erlöschen. Die Gefahr einer Kernschmelze oder einer nuklearen Katastrophe bestünde dabei nicht.
- Kontrollierte Versorgung: Die Brennstoffversorgung für Fusionsreaktoren ist praktisch unbegrenzt. Sie sind daher für Probleme wie Preisschwankungen oder geopolitische Konflikte nicht so anfällig, wie Gas oder Erdöl, die in Krisenzeiten regelmäßig im Preis steigen.
Welche Herausforderungen gibt es bei der Entwicklung von Fusionsenergie?
Trotz dieser Vorteile gibt es noch viele technische Herausforderungen, bevor sich die Fusionsenergie kommerziell nutzen lässt. So muss ein Fusionsreaktor mehr Energie erzeugen, als für seinen Betrieb benötigt wird. Dieses Ziel, genannt „Energie-Breakeven“, wurde erst einmal im Dezember 2022 bei einem Experiment an der National Ignition Facility in den USA erreicht. Die Forschung konzentriert sich darauf, die Plasmatemperatur und -dichte weiter zu erhöhen, sodass ein Energiegewinn möglich ist, der sich zur Stromproduktion rentiert.
Hinzu kommt, dass Fusionsreaktoren extremen Bedingungen standhalten müssen: intensiver Strahlung, hohen Temperaturen und schnellen Neutronen. Im Lauf der Zeit führt die Belastung zu Materialschäden und -ermüdung. Für Forscher ist es herausfordernd, Materialien zu entwickeln, die diesen Bedingungen standhalten. Das gilt auch für die Plasmakontrolle. Heißes, stabiles Plasma aufrechtzuerhalten, erfordert fortschrittliche Magnetfelder und Steuerungssysteme. Es ist daher entscheidend, Technologien zu entwickeln, die das Plasma effektiv stabilisieren und kontrollieren.
Nicht zuletzt bremsen finanzielle Probleme und lange Entwicklungszeiten die Forschung an der Fusionsenergie aus. Der Bau von Fusionsreaktoren und Investitionen in die weitere Technologieentwicklung verursachen hohe Kosten. Nicht immer ist es möglich, die notwendige Finanzierung sicherzustellen, sodass viele Projekte gar nicht an den Start gehen. Zudem ist die Entwicklungszeit lang.
ITER in Frankreich entstammt einem Vorschlag von Michail Gorbatschow an Ronald Reagan – beide damals Staatschefs in UdSSR und USA. Die ersten Pläne gab es 1988 am Max-Planck-Institut. Anfang 2007 begannen die Vorbereitungen für den Bau, 2011 wurde die Baugrube für den Hauptkomplex ausgehoben. Die Montage des Reaktors startete am 28. Juli 2020 – als Bauzeit sind aktuell 4,5 Jahre angesetzt.
Aber selbst wenn ITER in einigen Jahren an den Start geht, gibt es noch viele Fragen zur Fusionsenergie, die Fachleute erforschen und lösen müssen. Etwa, wie sich Fusionsreaktionen optimieren und Nebenprodukte verhindern oder minimieren lassen. Die Fusionsenergie konkurriert zudem mit erneuerbaren Energien. Das kann sich auf die Finanzierung und politische Unterstützung auswirken.
Aktuelle Fortschritte in der Fusionsforschung
In der Forschung zur Fusionsenergie gab es in den vergangenen Jahren einige Fortschritte, die sich vor allem auf verschiedene Ansätze und Technologien beziehen. Größter Fortschritt ist der Beginn des Reaktorbaus am ITER-Projekt. Außerdem arbeiten Wissenschaftler an der Entwicklung von Materialien, die den Bedingungen in Fusionsreaktoren standhalten können – beispielsweise Beryllium und Wolfram für Wände und Plasma-Gefäße. Neben dem Tokamak-Design werden alternative Konzepte wie Stellaratoren und Magnetfeld-Konfigurationen der nächsten Generation untersucht. Diese könnten effizientere und besser kontrollierbare Fusionsreaktoren ermöglichen.
Forscher versuchen aktuell, die Plasmadichte und -temperatur in Fusionsreaktoren zu erhöhen, um deren Effizienz zu steigern. Dazu gehört etwa die Entwicklung leistungsstärkerer Heizsysteme. Bessere Diagnose- und Steuerungstechniken sollen dafür sorgen, dass sich der Fusionsprozess besser überwachen und regeln lässt. So will man mehr Leistung und Sicherheit erreichen.
Insbesondere private Unternehmen investieren vermehrt in die Forschung und Entwicklung der Fusionsenergie. Darunter TAE Technologies, General Fusion oder Marvel Fusion. Das letztgenannte Start-Up erhält inzwischen Unterstützung von Siemens Energy sowie Trumpf und Thales. Alle stehen in direkter Konkurrenz zu ITER, treiben dadurch aber auch die Forschung schneller voran.
Das sind die verschiedenen Fusionsreaktortypen
Es gibt verschiedene Typen von Fusionsreaktoren. Jeder dieser Reaktortypen hat seine Vor- und Nachteile:
- Tokamaks
- Vorteile: Tokamaks sind der am weitesten entwickelte und am meisten erforschte Reaktortyp. Sie haben das Potenzial, hohe Plasmadichten und -temperaturen zu erreichen, die für die Kernfusion erforderlich sind. ITER beispielsweise ist ein Tokamak.
- Nachteile: Tokamaks erfordern starke Magnetfelder, um das Plasma zu stabilisieren und zu kontrollieren. Das ist teuer und bringt weitere Herausforderungen mit sich. Außerdem neigen Tokamaks dazu, instabil zu werden, wenn das Plasma zu heiß wird.
- Stellaratoren:
- Vorteile: Stellaratoren sind so konstruiert, dass sie das Plasma mithilfe von dauerhaften Magnetfeldern stabilisieren. Sie sind intrinsisch stabil und erfordern keine starke externe Erhitzung. Das kann langfristig für effizientere und besser kontrollierbare Fusionsreaktoren sorgen.
- Nachteile: Stellaratoren sind beim Bau technisch anspruchsvoller als Tokamaks. Die Geometrie der Magnetfelder ist vielschichtig. Es kann schwierig sein, hohe Plasmadichten und -temperaturen zu erreichen. Das erhöht die Kosten und bringt neue technische Herausforderungen mit.
- Inertial Confinement Fusion (ICF):
- Vorteile: ICF verwendet Laser oder andere Energieträger, um kleine Brennstoffpellets zu komprimieren und so die Fusion auszulösen. Dieser Ansatz hat das Potenzial, schnell Fortschritte zu erzielen, aus denen sich kompakte Fusionsreaktoren entwickeln lassen.
- Nachteile: Die technischen Anforderungen an ICF sind hoch und die bisherigen Erfolge begrenzt. Die geforderte Präzision und die Kosten der benötigten Systeme sind enorm. Es gibt zudem Probleme mit dem Erreichen des Energie-Breakeven, da die Impulse nur kurz sind.
Zusätzlich zu diesen Haupttypen gibt es andere, experimentelle Ansätze und Konzepte in der Forschung zur Fusionsenergie. Jeder Reaktortyp hat seine eigenen Besonderheiten. Die Wahl des besten Ansatzes hängt von technischen, wirtschaftlichen und wissenschaftlichen Faktoren ab. Die Fusionsforschung konzentriert sich derzeit darauf, die Nachteile der verschiedenen Systeme auszuschalten, um mit der Fusionsenergie eine nachhaltige Energiequelle zu schaffen.
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