Kernfusion: So funktioniert, was Kohle-, Gas- und Atomkraft auf ewig überflüssig machen soll

Einer der Weltrekord-Fusionsreaktoren: der Wendelstein 7-X. Doch auch abseits der Hightech-Anlage an der Ostsee reihen sich die Kernfusionsvorhaben nur so aneinander. (Grafik: MPI für Plasmaphysik)

Kernfusion, der heilige Gral der Physik. Gelänge es, sie zu bändigen und in einem Kraftwerk kontrolliert ablaufen zu lassen, hätten wir das Urfeuer der Abermilliarden Sterne im Universum angezapft.

Die Frage, wie wir durch die Verschmelzung zweier leichter Atomkerne kontrolliert Energie freisetzen, beschäftigt Forscher und Ingenieure seit Jahrzehnten.

Doch in den vergangenen Jahren zieht das Tempo an: neue Rekorde, viele neue Start-ups und zunehmendes Interesse von IT-Giganten. Sogar nahe München will ein Unternehmen dank KI schon Anfang der 2030er mit seinem eigenen Entwurf ans Netz gehen.

All das heißt nicht, dass wir morgen unseren Kaffee und Tee mit Fusionsstrom kochen, wie auch der Physiker Josef M. Gaßner die Erwartungen bremst. Doch lohnt sich mehr denn je ein Blick auf die Grundprinzipien der Reaktoren, die der Menschheit die größte Energierevolution seit Bändigung des Feuers bescheren sollen.

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Was ist Kernfusion und weshalb ist sie erstrebenswert?

Ehe wir uns um das Wie kümmern, gilt es zu klären, was Kernfusion ist und weshalb wir ihre Meisterung anstreben sollten. Hierbei vereinfachen wir, aber das Prinzip wird klar.

Das Ziel der meisten herkömmlichen Großkraftwerke der Menschheit lautet: Wasser kochen, mehr nicht. Denn mit der frei werdenden Energie verdampfen wir Wasser. Dieser Dampf treibt eine Turbine an und die erzeugt elektrischen Strom.

• Bei der Verbrennung von Holz, Kohle, Gas und Erdöl brechen wir chemische Verbindungen auf, um Hitze zu erzeugen.
• Atommeiler nutzten die Instabilität von schweren Atomen. Die typischsten Vertreter sind Uran oder Plutonium. Sie sind derart schwer, dass sie nur einen kleinen Energie-Stoß brauchen, um zu zerfallen. Wir spalten sie deshalb durch Beschuss mit Teilchen, wodurch zwei leichtere Atome entstehen und Energie frei wird.
• Fusionskraftwerke trennen nicht, sie verschmelzen. Zwei leichte Atomkerne vereinen sich zu einem schwereren, zum Beispiel zweimal Wasserstoff ergibt einen Heliumkern. Auch hier geht aber nicht alle Masse im neuen Atomkern auf, sondern nur rund 99 Prozent. Der Rest ist als nutzbare Energie abgreifbar.

Die Vorteile der Kernfusion gegenüber fossilen Brennstoffen und Kernspaltung sind zahlreich, zum Beispiel:

Effizienz: Fusionsprozesse laufen etwa drei- bis viermal effizienter ab als Kernspaltungsprozesse, soll heißen: Die pro Kilogramm Brennstoff erzeugte Strommenge ist entsprechend höher. Und beide Arten übertreffen chemische Verbrennungsprozesse in Sachen Effizienz um das Millionenfache. Anstatt etlichen Tonnen an Kohle würde ein Fusionskraftwerk zum Beispiel nur wenige Hundert Kilogramm Rohstoffe pro Jahr für seine Reaktorkammer brauchen. (via IAEA)

Brennstoff: Der Brennstoff für Kernkraftwerke stellt nicht nur durch Strahlung eine Gefahr dar, sondern ist zudem weit seltener. Uran ist begrenzt und nur lokal auf Erden verfügbar. Deuterium (Wasserstoffisotop) ist quasi beliebig vorhanden und verbreitet – in allen Weltmeeren. Der Kraftwerk-Treibstoff der Zukunft schwimmt quasi in jedem Tropfen Meerwasser der Erde.

Abfall: Fusionsmeiler produzieren deutlich weniger und obendrein nur geringfügig strahlenden Müll – und manch einer will damit sogar nebenbei Gold herstellen. Probleme von Kohle, Gas und Erdöl bleiben an dieser Stelle außen vor – mehr dazu lest ihr hier bei uns.

Sicherheit: Atomkraftwerke sind sicherer als ihr Ruf. Tschernobyl gilt aus heutiger Sicht als Resultat diverser gravierender Verstöße gegen selbst damals schon weltweit herrschende Standards. Doch steckt in Kernspaltungsanlagen erstmal das theoretische Potenzial für eine Katastrophe.

Fusionsreaktoren lassen sich laut Plänen jederzeit problemlos und unmittelbar abschalten: Das Fusionsplasma und damit die Energiefreisetzung erlöschen sofort. Kernspaltung läuft quasi von allein ab und muss in den meisten Fällen aktiv gehemmt werden.

Fusion braucht ständige Zufuhr von Brennstoff und Eindämmung durch Magnetfelder. Fällt eines von beiden weg, erlischt das Feuer, wie das einer Kerze. Mehr zu Gefahren, Müll und Verbreitung der benötigten Brennstoffe findet ihr in einem separaten Artikel.

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Welche Reaktorkonzepte gibt es?

Wir kennen drei große Zweige, auf denen parallel Kernfusionsforschung läuft:

• Tokamak
• Stellarator
• Trägheitsfusion

Die Fusion der zwei leichten Atomkerne geschieht stets in einem Plasma. Das ist der vierte Aggregatzustand von Materie (neben fest, flüssig und gasförmig). Es entsteht, wenn ein Gas stark aufgeheizt wird und die Elektronen ihre Bindung zu den Kernen verlieren.

Das Plasma schwebt in einem Vakuumbehälter. Letzterer ist luftleer, nur das Plasma, sonst nichts. Magnetfelder halten die ultraerhitzte Materie schwebend in Position beziehungsweise lassen sie kontrolliert ums Zentrum zirkulieren.

In der Regel gilt nämlich: kein Kontakt mit irgendwas. Das Plasma muss frei schweben, sonst bricht der empfindliche Prozess zusammen. Einzige Ausnahme bilden sogenannte Divertoren aus speziellen Legierungen. Sie trennen vereinfacht ausgedrückt die fusionierten Atomkerne und Verunreinigungen ab – quasi der Aufräumdienst des Reaktors.

Doch die Art, wie das Plasma erzeugt, auf Temperatur gebracht oder auf dieser gehalten wird, unterscheidet sich je nach Ansatz.

Tokamak-Reaktoren

Tokamak-Reaktoren stellen den ältesten und bis heute am besten erforschten Ansatz für Kernfusionsreaktoren dar. Ringförmig angeordnete Magnete umschließen eine Reaktionskammer. In der Mitte des Rings steht eine Art Transformator, in Form des sogenannten Solenoids.

Er schickt einen starken elektrischen Impuls durch das Plasma, der hilft, es in der richtigen Form zu halten und es auch mit aufheizt. Nur so kann die extrem heiße Masse in einem Zustand gehalten werden, der die Fusion von leichten Atomen ermöglicht.

Das Problem: Der Transformator muss regelmäßig abgeschaltet werden. Tokamaks sind deshalb für einen Dauerbetrieb ungeeignet – sie werden selbst im industriellen Betrieb noch definierte Pausen benötigen.

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Stellaratoren

Anstatt in einer regulären Kammer fließt das Plasma in einem Stellarator durch einen engen, annähernd ringförmigen Tunnel, der zusätzlich verdreht ist. In ihm windet sich das Plasma quasi rasend schnell. Hierfür ist nur ein einzelnes Magnetfeld nötig, das durch ringförmige Magnete erzeugt wird.

Im Gegensatz zum Tokamak fließt kein Strom durch das Plasma selbst, da die komplexe Anordnung der äußeren Magnete die Aufgabe allein erfüllen kann. Ein Stellarator kann im Gegensatz zum Tokamak ununterbrochen laufen und so durchgehend Strom erzeugen.

Allerdings: Die dreidimensionale, asymmetrische Anordnung erwies sich als ein mathematisch-physikalisches Monstrum. Erst Supercomputer waren in der Lage, die nötigen Berechnungen durchzuführen.

Daher konnte der theoretische Entwurf von Stellarator-Reaktoren erst spät im 20. Jahrhundert erfolgen. So hinken sie in ihrer Entwicklung etwas hinter den Tokamaks her – sind aber nach Meinung vieler Experten der geeignetere Kandidat für kommerzielle Kraftwerke.

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Trägheitsfusion

Bei der Trägheitsfusion werden Geschosse oder starke Laser auf einen winzigen Punkt abgefeuert. An diesem befindet sich im Inneren einer Reaktionskammer eine winzige Menge Treibstoff (Wasserstoff) in Form eines Pellets.

Die Energie der Laser oder Geschosse trifft innerhalb von Mikrosekunden auf diese Kapsel und drückt sie extrem stark zusammen.

Durch diese enorme Verdichtung und Hitze wird Kernfusion ausgelöst. Um jedoch über längere Zeiträume Energie zu gewinnen, muss dieser Vorgang immer wieder, sehr schnell hintereinander ablaufen. Im Prinzip sammeln wir hier quasi die Energie von explodierenden Miniatur-Wasserstoffbomben ein.

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Abseits dieser Hauptpfade loten Forschungsinstitute oder Unternehmen weltweit auch andere Wege aus. Sie teilen sich oft Techniken mit den Hauptansätzen, aber setzen mitunter auf andere Fusionsstoffe oder erzeugen die Magnetfelder zum Einschließen des Plasma auf alternative Weise.

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• Dieser Meiler verzichtet auf das elementarste Bauteil aller Kraftwerke. Das Ziel: Strom aus Kernfusion schon 2028 - und Microsoft hilft mit

Wann zünden wir das Fusionsfeuer?

Gerald Weßel

Die Frage nach einem Zeithorizont, wann endlich der erste Fusionsmeiler ans Netz geht, ist so alt wie die Forschung daran. Noch lässt sich da jedoch keine verlässliche Aussage treffen – nur so viel: In diesem Jahrzehnt würde es mich extrem überraschen. Für ein erstes kommerzielles Kraftwerk ab 2030 und vor 2040 neige ich zu mildem Optimismus. Davor wird es im besten Fall bei zeitweisem Testbetrieb einer Anlage bleiben.

Denn abseits aller Zweifel bin ich von einem überzeugt: So nah dran wie heute waren wir noch nie. Diesen Satz hätte ich wahrscheinlich auch schon vor zehn Jahren so formulieren können, aber neu sind drei Faktoren:

- Finanzstarke Investoren
- Privatwirtschaftliche Unternehmen
- KI

Lange war Fusionsforschung als Feld der nationalen und internationalen Ebene vorbehalten – mit kleineren Ausnahmen. Zusammenschlüsse hunderter Forscher, bezahlt mit staatlichem Geld, die auf ein fernes Ziel hinarbeiten: kontrollierte Fusion und Stromerzeugung in einem Testkraftwerk.

Inzwischen befeuert privates Kapital weltweit Start-ups, Institute an Unis und den Einsatz von KI zum Entwurf solch bisher unmöglicher Anlagen. Sie alle wollen möglichst schnell Elektrizität ins Netz einspeisen. Wir nähern uns einer Situation wie einst vor der ersten Mondlandung. Nur nimmt an diesem Wettrennen die ganze Welt teil, nicht nur zwei Staaten.

Kernfusion übertrifft alles, woran sich die Menschheit bisher gewagt hat. Gelänge es uns, die Herzen von Sternen auf Erden nachzuahmen und aus ihnen dauerhaft Strom zu gewinnen, wäre das Potenzial enorm. Sie wäre ein Pfeiler für unsere Zukunft als Spezies.