Radikal anders und 100-mal effizienter als herkömmliche Fusionsreaktoren – US-Firma will Quantensprung noch in den 2020ern

Relativ kompakt, so soll der Fusionsreaktor von TAE aussehen. (Bildquelle: TAE Technologies)

Im Kern der Sonne lodert ein immerwährendes Feuer: Ununterbrochen verschmelzen im heißen Plasma des Sterns zwei leichte Atome zu einem schweren. Dieser Prozess, bei dem Unmengen Wärmeenergie erzeugt wird, ist die Kernfusion. Den versuchen wir hier auf der Erde zu imitieren – bisher aber ohne kommerziellen Erfolg in Form eines funktionsfähigen Kraftwerks.

Ein neuer Ansatz aus den USA verspricht einen deutlichen Sprung in Richtung Marktreife. Hier scheinen die Forscher ein zentrales Problem der Kernfusion zu umgehen: Denn um die Mechanismen der Sonne in einem Reaktor nachzuahmen, muss das extrem heiße Plasma von der Reaktorwand ferngehalten werden. In ihm geschieht die eigentliche Fusion.

Das können wir mittels eines Energiefeldes erreichen, allerdings braucht das eine Unmenge an Energie – und eben die wollen wir durch die Kernfusion ja eigentlich nutzbar erzeugen. Die neue Methode aus den USA könnte ebendieses Dilemma lösen.

Die Lösung: Sobald der Fusionsofen einmal läuft, schließt sich das Plasma selbst ein und lässt nur Hitze entweichen, aber keine hocherhitzte Materie. Das Resultat: Die Entwickler gehen davon aus, dass dadurch bis zu 100-mal effizientere Fusionsreaktoren möglich werden.

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Wer braucht schon Magneten?

Der geplante Fusionsreaktor von TAE Technologies unterscheidet sich grundlegend von allen gängigen Verfahren wie Tokamaks, Stellaratoren oder der Trägheitsfusion: Er nutzt die Field Reversed Configuration (FRC), auf Deutsch Umgekehrte Feld-Einstellung.

Grundlagen und Arten der Kernfusion

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Die drei wichtigsten Ansätze für Kernfusionskraftwerke sind:

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

• Tokamak
• Stellarator
• Trägheitsfusion

Abseits ihrer Unterschiede haben sie eines gemeinsam: Mit der erzeugten Energie erhitzen sie Wasser. Der entstehende Dampf treibt eine Turbine an, die elektrischen Strom erzeugt.
In den letzten Schritten des Prozesses unterscheiden sich Fusionskraftwerke nicht von Kohle-, Gas- oder Atomkraftwerken. Nur erzeugen sie die Wärmeenergie nicht aus der Verbrennung chemisch gebundener fossiler Energie (Kohle und Gas) oder aus der Spaltung von sehr schweren Kernen (Atomkraftwerke).

Stattdessen verschmelzen bei der Kernfusion zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren. Meistens die zweier Wasserstoffatome, woraus Helium entsteht. Dabei wird vorrangig Energie in Form von Neutronen freigesetzt. Dieser Prozess geschieht in einem sogenannten Plasma.

Plasma ist der vierte Aggregatzustand von Materie (neben fest, flüssig und gasförmig). Es entsteht, wenn Gas stark aufgeheizt wird. Sobald die Kernfusion läuft, hält sie das Plasma selbst auf Temperatur. Zum Anlaufen wird jedoch von außen Strom zugeführt. Die Erhitzung kann durch verschiedene Prozesse erfolgen, zum Beispiel durch Mikrowellenstrahlung. Das Plasma schwebt magnetisch gehalten in einem Vakuumbehälter – also frei von anderen Gasen.

Tokamak: Sie 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, inform 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 Wasserstoffatomen ermöglicht.

Der ITER-Tokamak. Das Plasma umströmt in dem donut(torus)förmigen Ring den durch Schutzwände im Zentrum abgeschirmten Transformator. Bildquelle: US ITER

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.

Stellarator: Anstatt in einer regulären Kammer fließt das Plasma durch einen engen, ebenfalls 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 alleine 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 sind sie in ihrer Entwicklung etwas hinter den Tokamaks zurück – sind aber nach Meinung vieler Experten der geeignetere Kandidat für Kraftwerke.

Trägheitsfusion: Hierbei 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 das Pellet und drückt es extrem stark zusammen.
Durch diese enorme Verdichtung und Hitze wird eine Kernfusion ausgelöst. Um jedoch über längere Zeiträume Energie zu gewinnen, muss dieser Vorgang immer wieder und sehr schnell hintereinander ablaufen. Im Prinzip sammeln wir hier quasi die Energie von explodierenden Miniatur-Wasserstoffbomben ein.

Wichtige Meilensteine wurden zuletzt auch bei Tokamaks sowie im Feld der Trägheitsfusion erreicht:

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Bei den FRC-Reaktoren wird im Gegensatz zu den anderen Methoden das Magnetfeld nicht extern durch Spulen erzeugt, sondern vom Plasma im Reaktor selbst. Das Plasma wird quasi dazu gezwungen, sich selbst einzuschließen und so seine Form zu wahren.

FRC-Reaktoren sind in der Theorie deutlich einfacher zu bauen und zu betreiben, da sie etwa keine komplexen Spulenapparate außen herum benötigen. Auch sollten sie kompakter sein, da ausladende Ringstrukturen wegfallen. Die 100-fach höhere Effizienz ist vor allem auf diese baulichen Faktoren zurückzuführen.

Bisher stellte beim FRC-Ansatz aber stets die Instabilität des Plasmas eine unüberwindbare Hürde dar. TAE will das laut eines Papers überwunden haben. Ihr Forschungsreaktor namens Norm läuft aktiv und wird zur Weiterentwicklung der Technik genutzt. Er ist der fünfte Prototyp, den TAE erfolgreich konstruiert hat und betreibt. Sein Vorgänger Norman ist ebenfalls noch in Betrieb. Er ist sperriger und nutzt einen inzwischen veralteten Startprozess der Plasmaerzeugung.

Außen Außen

Von außen wirkt Norm unscheinbar, doch wer reinschaut, entdeckt ein mehr als ein Milliarden-Grad Celsius heißes Plasmafeuer. Anders lässt sich Bor nicht zur Fusion mit Wasserstoff bewegen. (Bildquelle: TAE Technologies)

Derzeit bauen sie in Irvine, Kalifornien (USA) an Copernicus. Dieser Reaktor soll noch in diesem Jahrzehnt eine Nettoenergieerzeugung demonstrieren.
Das bedeutet: Bei der Fusion wird mehr Energie freigesetzt, als das Netz für den Start und die Aufrechterhaltung/Steuerung der Fusion einspeist. Dieser Faktor gilt zusammen mit dem Tripelprodukt (mehr dazu hier) als heiliger Gral der Kernfusion.

Wasserstoff und Bor als Traumpaar der Fusion

Als Brennstoff für die baldige Revolution der Energieversorgung sollen nicht nur Isotope vom Wasserstoff (Deuterium und Tritium) zum Einsatz kommen, sondern auch gewöhnlicher Wasserstoff und Bor-11. Letzteres ist ein Spurenelement, das deutlich schwerer als Wasserstoff ist.

Das Bor-11-Isotop macht etwa 80 Prozent des natürlich vorkommenden Bors aus. Dadurch ist es deutlich einfacher zu gewinnen als insbesondere Tritium, das sogar künstlich hergestellt werden muss. Deuterium kommt immerhin geringfügig in den Weltmeeren vor.

Als weiterer Vorteil gilt der vollständige Wegfall von Strahlung während der Fusion oder von gefährlichen Abfallstoffen. Übrig bleiben nur drei Heliumkerne, die stabil und ungiftig sind. Sie tragen das Energieplus als Bewegungsenergie (Hitze) in sich, die abgezapft werden soll.

Diese Fusionskombination (Wasserstoff und Bor-11) benötigt allerdings extrem hohe Temperaturen, mehr als eine Milliarde Grad Celsius. Der Grund liegt in den deutlich größeren Widerstandskräften des Bors. Ihm muss deutlich mehr Energie zugeführt werden, damit sein Kern mit dem des Wasserstoffs verschmelzen kann. Sonst überwiegen schlicht die einander abstoßenden Kräfte (positiv geladene Kerne).

Stellt es euch wie Autoscooter vor, die unsichtbare Barrieren um sich haben. Es braucht einfach eine ordentliche Menge an Wumms in Form von Geschwindigkeit.

Bor-11 soll aber erst im aktuell für Anfang der 2030er geplanten ersten kommerziellen Kraftwerk als Fusionsstoff dienen, Da Vinci genannt. Derzeit existieren hierfür aber nur Pläne, keinerlei Hardware. Bisher setzt TAE bei Tests auf die branchenübliche Deuterium/Tritium-Kombination.

Brennstrahlen, um es der Sonne gleichzutun

Um das Plasma aufzuheizen, kommt laut TAE Neutralteilcheninjektion zum Einsatz. Das sind speziell angepasste Strahler, die Ströme neutraler Teilchen in die Brennkammer feuern. Jene können dank ihrer elektrischen Neutralität in das Magnetfeld eindringen und so das Plasmagemisch erhitzen.

Hierbei wurde die in der Branche vertraute Technik weiterentwickelt, sodass sie bei dieser speziellen Art von Reaktor mit stationärem FRC-Plasmafeld ausreichend genau und sensibel funktioniert. TAE Technologies spricht sogar davon, dass ihre Neutronenstrahlen in der Krebstherapie Verwendung finden. Das sei nur dank der extrem genauen Steuerbarkeit sowie der feinsten Justierbarkeit der Intensität möglich.

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Einschätzung der Redaktion (Gerald Weßel): Was ist von TAEs Ankündigung funktionierender Fusionskraftwerke Anfang des kommenden Jahrzehnts zu halten? Kernfusion bringt seit jeher große Hoffnungen, noch gewaltigere Versprechen und letztendlich bisher immer fortdauerndes Warten mit sich, wie auch der Astrophysiker Josef M. Gaßner ausführlich darlegt.

Soweit sind solche Meldungen also vertraut. Auch Proxima Fusion aus München will bereits Anfang der 2030er mit ihrem Stellarator-Konzept durchstarten.

Ich halte beides für zweckoptimistisch und aus ihrer Sicht nur logisch: Nur so kommen sie an Investoren. Denn letztendlich geht es hier um einen Markt, der etliche Milliarden wiegen wird – Geopolitik komplett außen vor gelassen. Also gehört Trommeln zum Geschäft, und sie haben ja durchaus etwas vorzuweisen, weshalb wir hier von weit mehr als nur bloßer Dampfplauderei ausgehen dürfen.

Denn eines muss ich TAE zugestehen: Ihr Konzept unterscheidet sich deutlich vom Durchschnitt der Branche. Deshalb werde auch ich für euch dranbleiben und berichten, wie es mit Copernicus und Da Vinci vielleicht noch vor Ende des Jahrzehnts vorangeht.