Recycling für die Kernfusion: Leipziger Team gelingt fast unmögliche Trennung
Bei der Kernfusion geht es meist um Laser, Plasmen und Magnete. Kaum jemand fragt, wie der teure Brennstoff recycelt wird. Ein Team aus Leipzig hat dafür erstmals ein Gemisch dreier Wasserstoffisotope voneinander getrennt.
Das radiochemische Labor der Abteilung „Reaktiver Transport“ an der Forschungsstelle Leipzig führt Untersuchungen mit Radioisotopen durch. Hier ist ein Aufbau für Experimente mit dem Wasserstoffisotop Tritium zu sehen.
Foto: Cornelius Fischer
Die Bundesregierung nimmt viel Geld in die Hand, damit das erste Fusionskraftwerk der Welt in Deutschland entsteht. Ende Juli wählte Bundesforschungsministerin Dorothee Bär (CSU) drei „Fusionshubs“ aus, in denen Forschung und Industrie gemeinsam an offenen Fragen arbeiten sollen. 125 Mio. € stellt ihr Ministerium dafür bereit. Zwei Hubs kümmern sich um die beiden Reaktorkonzepte, also Laser- und Magnetfusion. Der dritte, koordiniert vom Karlsruher Institut für Technologie, widmet sich einem Thema, das noch weniger bekannt ist: dem Brennstoffkreislauf.
Künftige Fusionskraftwerke brauchen neben Plasmen, Lasern und starken Magneten nämlich auch einen Weg, ihren Brennstoff zurückzugewinnen und wiederzuverwenden. Wie das gelingen könnte, zeigt jetzt ein Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Universität Leipzig. Es hat nach eigenen Angaben erstmals ein Gemisch aller drei Wasserstoffisotope mit einem silberhaltigen Kristall getrennt, darunter das radioaktive Tritium. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Nature Communications.
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Warum Recycling in der Kernfusion eine Rolle spielt
In einem Fusionsreaktor verschmelzen die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium zu Helium und setzen dabei enorme Energiemengen frei. Doch nur etwa 2 % der Deuterium-Tritium-Kombination werden dabei tatsächlich verbraucht, wie das Forschungsteam in seiner Studie schreibt. Der Rest verlässt den Reaktor unverbrannt.
In diesem Rest enthalten ist auch gewöhnlicher Wasserstoff, in der Fachsprache Protium genannt, der durch Nebenreaktionen mit den Reaktormaterialien entsteht. Aus dem Abgasstrom wird so ein Gemisch aus drei Isotopen, das getrennt werden muss, damit der Brennstoff in der richtigen Zusammensetzung zurück in den Reaktor kann.
Das klingt einfacher als es ist. Protium, Deuterium und Tritium unterscheiden sich nämlich nur in der Zahl der Neutronen im Atomkern. Chemisch verhalten sich die drei nahezu identisch. Sie zu trennen ist daher ähnlich schwer wie der Versuch, Pfandflaschen aus dem Müll zu fischen, die alle fast gleich aussehen. „Gewöhnliche Trennverfahren stoßen hier an ihre Effizienzgrenzen“, sagt Prof. Cornelius Fischer, der die HZDR-Abteilung Reaktiver Transport in Leipzig leitet. Sein Team suchte deshalb nach einem grundlegend anderen Trennprozess. Fündig wurden sie bei einem Quanteneffekt.
So funktioniert das Quantensieb
Für ihre Suche nutzten die Forscher einen Zeolithen. Diese Kristallmaterialien kommen in der Natur vor, lassen sich aber auch synthetisch herstellen. Ihr Gerüst aus Aluminium-, Silizium- und Sauerstoffatomen ist von winzigen Poren durchzogen, in denen positiv geladene Ionen sitzen. Diese Ionen lassen sich austauschen und verändern dann die Eigenschaften des Materials. Das Ausgangsmaterial dafür kam vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr. Dort wurden die ursprünglichen Natriumionen des Zeolithen vollständig durch Silberionen ersetzt. Mit diesem Material arbeitete das Leipziger Team.
An den Silberplätzen läuft der entscheidende Vorgang, eine Adsorption, ab:
- Wasserstoff strömt in die Poren
- Die Moleküle wechselwirken mit der elektronischen Struktur der Silberionen und bleiben dort haften.
Wie stark, entscheidet die Quantenmechanik. Wegen ihrer unterschiedlichen Masse besitzen die drei Isotope verschiedene Nullpunktsenergien. So heißt die minimale Energie, die ein quantenmechanisches System selbst am absoluten Nullpunkt behält. Je schwerer das Isotop, desto niedriger diese Energie und desto fester sitzt das Molekül am Silber. So lässt sich der Brennstoff-Reststrom laut den Forschenden sehr effizient aufsplitten.
Den Nachweis dafür lieferte das Team über eine Messmethode, die Michael Hirscher vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart einbrachte: thermische Desorptionsspektroskopie. Dabei wird das beladene Material langsam erwärmt, während ein Messgerät verfolgt, welche Moleküle sich bei welcher Temperatur lösen. Die Isotope verlassen den Kristall dabei nacheinander:
- zuerst das leichte Protium
- dann Deuterium,
- zuletzt Tritium.
Aus einem Gemisch werden drei getrennte Fraktionen.
Tritium bleibt am längsten haften
Wie gut funktioniert das wirklich? Das Team leitete ein Gemisch mit gleichen Anteilen aller drei Isotope über den silberhaltigen Zeolithen. Am Ende lag das Verhältnis bei 1:41:175 für H₂:D₂:T₂. Tritium reicherte sich also 175-fach gegenüber Protium an, in einem einzigen Durchgang. „Das sind nicht nur minimale Unterschiede“, ordnet Fischer ein. „Der Trennvorgang ist schon bei einmaliger Anwendung sehr effizient.“
In Versuchen mit jeweils zwei Isotopen bestimmte das Team zusätzlich die Selektivitäten. Den stärksten Wert lieferte auch hier das Tritium. 244-mal besser wurde es laut dem Paper adsorbiert als Protium. Wichtig für die Forschung ist zudem, dass sich damit theoretische Vorhersagen erstmals experimentell mit Tritium überprüfen ließen.
Der Prozess läuft bei etwa 83 Kelvin, also rund -190 °C. Das klingt extrem, lässt sich aber mit gewöhnlichem Flüssigstickstoff erreichen. Die etablierte kryogene Destillation arbeitet dagegen bei rund 20 Kelvin, was deutlich mehr Kühlaufwand bedeutet.
Keine Verschlechterung der Trennleistung
Eine Frage stellte sich dem Team noch: Tritium zerfällt radioaktiv und setzt Betastrahlung frei. Greift die das Material an? In den Versuchen zeigte sich nach vier Stunden Tritium-Kontakt keine messbare Verschlechterung der Trennleistung. „Das ist noch kein Nachweis für einen dauerhaften technischen Betrieb, aber ein wichtiges Indiz dafür, dass der Materialtyp für weitere Untersuchungen interessant ist“, erläutert Fischer.
Grundlagenforschung mit klarer Perspektive
Ein fertiges Verfahren für Fusionskraftwerke ist das nicht; das Team betont dies selbst. Die Experimente liefen mit winzigen Materialmengen, für größere Anlagen müssten Prozessführung, Langzeitstabilität und Skalierung erst untersucht werden.
„Wir bewegen uns hier klar in der Grundlagenforschung“, sagt Fischer. „Unsere Aufgabe ist es, die Mechanismen quantitativ zu verstehen und verschiedene Materialien miteinander zu vergleichen.“ Der silberhaltige Zeolith ist für die Gruppe deshalb nicht das Ende der Suche: Sie will ihre Messmethode nun auf weitere poröse Materialien übertragen.
Gebraucht wird die Lösung so oder so. Ob in Biblis, wo das erste Laserfusionskraftwerk der Welt entstehen soll, oder in Gundremmingen, wo Proxima Fusion seinen Stellarator plant. Jedes Kraftwerkskonzept, das Deuterium und Tritium verschmilzt, braucht am Ende einen funktionierenden Brennstoffkreislauf. Die Leipziger Ergebnisse zeigen, wie ein Teil davon aussehen könnte.
Quellen
- Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf / Universität Leipzig: Gemeinsame Pressemitteilung „Tritium im Quantensieb“ vom 6. August 2026 mit den Zitaten von Cornelius Fischer.
- Nature Communications: Originalstudie zur Tritium-Trennung am silberhaltigen Zeolithen, darunter das Trennverhältnis 1:41:175, die Selektivität von 244 und der 2-%-Wert zum Brennstoffverbrauch.
- Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR): Meldung zu den drei Fusionshubs vom 29. Juli 2026, darunter der KIT-Hub zum Brennstoffkreislauf und die 125 Mio. € Förderung.
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