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Kernfusionsreaktor

Als Kernfusionsreaktor werden – bisher nur im experimentellen Stadium vorhandene – nukleare Reaktoren bezeichnet, mit denen durch Fusion leichter Atomkerne in einer energetischen Kettenreaktion Wärmeenergie gewonnen werden soll, mit der – wie in herkömmlichen Kraftwerken – elektrischer Strom erzeugt werden kann.

Ein Kernfusionskraftwerk könnte im Vergleich zu einem Kernspaltungskraftwerk bei wesentlich geringerem Brennstoffverbrauch, einem praktisch fast unbegrenzten Brennstoffvorrat, besserer Anlagensicherheit und mit weniger langlebigem radioaktivem Abfall große Mengen an elektrischer Energie liefern. Bis jedoch eine kommerzielle Nutzung der Kernfusion als Energielieferant möglich sein könnte, werden noch einige Jahrzehnte vergehen.

Auch die Sonne gewinnt die von ihr seit Milliarden von Jahren abgestrahlte riesige Energie aus Kernfusionsprozessen. Allerdings sind die dort wirksamen Kernreaktionen für eine technische Nutzung auf der Erde ungeeignet.

Infolge der enormen Aussichten, den weltweit künftig erforderlichen Energiebedarf mittels der Kernfusion decken zu können, arbeiten die größeren Industrieländer seit etwa 1960 an der Entwicklung der dafür erforderlichen Technologien. Viele verschiedene Wege wurden theoretisch untersucht, manche auch mehr oder minder erfolgreich praktisch-experimentell beschritten. Der Artikel führt alle diese Entwicklungslinien auf. Ausführlich befasst er sich mit der Deuterium-Tritium-Fusion mit toroidalem magnetischem Einschluss, die als aussichtsreichste Methode gilt und wofür die Entwicklung technischer Einzelheiten am weitesten fortgeschritten ist.

Von diesem Typ ist auch der erste Versuchsreaktor, dessen Fusionsplasma mehr Energie abgeben als aufnehmen soll, der Internationale Thermonukleare Experimentelle Reaktor (ITER). Er soll diese Energiegewinnung demonstrieren, wird jedoch noch keine Nutzenergie (Strom) liefern. ITER soll mit Kosten von insgesamt 9,6 Milliarden Euro gebaut und 20 Jahre lang betrieben werden.

Inhaltsverzeichnis

Grundprinzip

Bei der Fusion (Verschmelzung) bestimmter leichter Atomkerne wird Energie freigesetzt. Damit es zwischen zwei – immer positiv geladenen – Atomkernen (Ionen) zur Reaktion kommt, muss jedoch zunächst ihre gegenseitige elektrische Abstoßung überwunden werden. Für kernphysikalische Untersuchungen lässt sich dies durch Beschleunigung der Ionen in Teilchenbeschleunigern erreichen. Aus solchen Laborversuchen sind die Eigenschaften der für die Energiegewinnung geeigneten Kernfusionsreaktionen seit langem gut bekannt. Jedoch wird bei einem solchen Experiment insgesamt viel mehr Energie aufgewendet als bei der Reaktion entsteht; eine Energieproduktion ist auf diese Weise nicht möglich.

Für einen Netto-Energiegewinn im technischen Maßstab sind größere Materialmengen nötig und die Reaktion muss als energetische Kettenreaktion – ähnlich einer chemischen Kettenreaktion wie etwa in einem brennenden Feuer – ablaufen, ohne dass man die Ionen durch ständige äußere Energiezufuhr beschleunigt. Die notwendige kinetische Energie der Ionen für das Auftreten genügend vieler Fusionsreaktionen entspricht einer Temperatur von über 100 Millionen Grad Celsius. Materie befindet sich bei diesen Temperaturen im Plasma-Zustand, in dem die Atomkerne von ihren Elektronen vollkommen getrennt sind.

Um die Fusions-Kettenreaktion einzuleiten, wird daher zunächst ein Plasma geeigneter Dichte hergestellt und durch Zufuhr von Energie von außen auf die nötige Temperatur gebracht. Bei genügend hoher Temperatur „zündet“ dann die Kettenreaktion, das heißt, ein Teil der bei den Verschmelzungen gewonnenen Energie hält diese hohe Temperatur ohne weitere äußere Energiezufuhr aufrecht und leitet jeweils durch Teilchenstöße weitere Verschmelzungen ein.

Anders als beim Kernspaltungsreaktor enthält das Reaktionsgefäß eines Fusionsreaktors keinen Brennstoffvorrat für längere Betriebszeit. Der Brennstoff muss vielmehr dem Verbrauch entsprechend laufend nachgefüllt werden. Deshalb kann auch nicht eine übergroße Energiemenge plötzlich unkontrolliert frei werden. Unfälle in der Art von Reaktor„explosionen“ oder Kernschmelzvorgängen sind nicht möglich.

Geschichte

Eine kernfusionsartige Kernreaktion wurde noch vor der Kernspaltung durch den Physiker Ernest Rutherford im Jahre 1919 entdeckt, indem er Stickstoff durch Beschuss mit Alphateilchen in Sauerstoff umwandelte. Es dauerte bis zum Jahr 1928, bis George Gamow dank der neu entwickelten Quantenmechanik diesen im Widerspruch zu klassischen Theorien stehenden Prozess mit Hilfe des Tunneleffektes erklären konnte. Parallel dazu wurde die Kernfusion von Astrophysikern als mögliche Energiequelle von Sternen vorgeschlagen. Da aus spektroskopischen Beobachtungen bekannt war, dass Sterne zum Großteil aus Wasserstoff bestehen, kam hier die Verschmelzung zweier Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern in Betracht, ein Prozess, den Rutherford im Jahre 1934 erstmalig durch die Fusion (als einzelne Kernreaktion) der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium zu Helium künstlich im Labor durchführen konnte.

Die Idee, Kernfusion technisch in Form einer energetischen Kettenreaktion zu nutzen, wurde zuerst mit dem Ziel militärischer Waffenentwicklung verfolgt. Die Fusionsforschung fand daher in den Jahrzehnten um den Zweiten Weltkrieg im Geheimen statt. Nachdem nach den USA auch die Sowjetunion 1949 eine eigene auf Kernspaltung beruhende Atombombe entwickelt hatten, entwickelten der Physiker Edward Teller und der Mathematiker Stanislaw Ulam in den USA ein Konzept zum Bau einer Fusionsbombe, der Wasserstoffbombe, die eine deutlich höhere Sprengkraft versprach. Dies führte am 6. November 1952 zur Zündung der ersten Wasserstoffbombe Ivy Mike im Eniwetok-Atoll. Dies war der erste Nachweis, dass große Energiemengen explosionsartig durch Kernfusion auch auf der Erde künstlich freigesetzt werden können.

Erste theoretische Konzepte zur kontrollierten Kernfusion als Energietechnologie wurden schon während der Entwicklungsphase der Atombombe unter anderem durch Edward Teller und Enrico Fermi entwickelt. Eine der Ideen war, ein äußerst heißes Deuterium-Tritium-Plasma durch ein Magnetfeld einzuschließen. In England wurde nach dem Zweiten Weltkrieg das erste zivile Forschungsprogramm zur Nutzung der Kernfusion gestartet. George Paget Thomson und Moses Blackman entwickelten hier die Idee zum Einschluss eines ringförmigen Deuterium-Plasmas mittels Magnetfeld und dem Aufheizen mittels Hochfrequenzwellen. Dieses Konzept wurde in den folgenden Jahren in zwei Varianten unabhängig voneinander in den USA und der Sowjetunion weiter entwickelt. In den USA entwickelte Lyman Spitzer den Stellarator, der ab 1951 an der Universität in Princeton erforscht wurde. Der Stellarator erwies sich bald als zu kompliziert, da die komplexe Geometrie seiner Magnetfeldspulen für die Forscher ein damals unüberwindliches Hindernis dar stellte. Erst gegen Ende des 20. Jahrhunderts konnten die nötigen Berechnungen dank leistungsfähiger Computer durchgeführt werden, wodurch der aktuelle Bau des Test-Stellarators Wendelstein 7-X in Greifswald möglich wurde. In der Sowjetunion wurde in den 1950er Jahren durch Andrej Sacharow und Igor Tamm eine andere Variante des magnetischen Einschlusses verfolgt, der sogenannte Tokamak, dessen einfacheres Design zur Grundlage fast aller folgenden Fusionsexperimente werden sollte.

Alle diese ersten Versuche fanden unabhängig voneinander und unter strenger Geheimhaltung statt. Im Jahre 1956 brach der Physiker Igor Kurchatow, der frühere Leiter des sowjetischen Atombomben-Programms, mit einem Fachvortrag im englischen Forschungszentrum Harwell die Geheimhaltung. Auf der zweiten internationalen Atomkonferenz in Genf wurde 1958 erstmals eine Offenlegung der Ergebnisse und eine stärkere internationale Zusammenarbeit beschlossen, nicht zuletzt auf Grund der großen technologischen Schwierigkeiten, auf die die einzelnen nationalen Forschungsprogramme gestoßen waren.

In Europa wurde 1958 der Euratom-Vertrag beschlossen, den zunächst sechs europäische Länder unterzeichneten und sich verpflichteten im Bereich der Kernenergie und Kernforschung zusammen zu arbeiten. Dies führte 1973 zum Bau des aktuell größten Tokamaks, dem Joint European Torus (JET) in Culham (Großbritannien). Am JET wurde am 9. November 1991 erstmals ein nennenswerter Erfolg bei der Energiegewinnung mittels Kernfusion verzeichnet. Für zwei Sekunden wurde ein Deuterium-Tritium-Plasma hergestellt, das eine Leistung von 1,8 Megawatt lieferte. 1997 wurde dann eine Fusionsleistung von 13 Megawatt erreicht, was einer Rückgewinnung von 65 Prozent der aufgewendeten Plasmaheizenergie entspricht.

Eine positive Energie-Bilanz, also die Gewinnung von mehr Energie als zur Heizung des Plasmas aufgebracht werden muss, soll erstmals im zukünftigen internationalen Fusionsreaktor ITER verwirklicht werden, der aktuell im südfanzösischen Forschungszentrum Cadarache im Bau ist. Dieser soll den Weg ebnen für DEMO, das erste Fusionsreaktorkraftwerk, das die kommerzielle Nutzbarkeit des Energiegewinns aus Kernfusion nachweisen soll.

Brennstoffe

Deuterium-Tritium

Am geringsten ist die Abstoßung offensichtlich zwischen Atomkernen, die nur je eine einzige Elementarladung tragen. Dies sind die Isotope des Wasserstoffs. Die Fusionsreaktion zwischen den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium:

(siehe auch Kernfusion) zeichnet sich durch einen hohen Energiegewinn und einen ausreichenden Wirkungsquerschnitt (Reaktionswahrscheinlichkeit) bei technisch erreichbaren Plasmatemperaturen aus. Ein Deuterium-Tritium-Gemisch, im Folgenden kurz „DT“, ist daher der Fusionsbrennstoff, auf dem bis jetzt die gesamte Fusionstechnologie – die zivile ebenso wie die der Kernwaffen – beruht. Die Möglichkeit zur Freisetzung großer Energiemengen durch die DT-Reaktion wird durch die Wasserstoffbombe demonstriert, in der diese Reaktion explosionsartig abläuft. Die erste kontrollierte Fusions-Kettenreaktion mit nicht nur unerheblicher DT-Reaktionsrate gelang 1970 mit der Anlage Tokamak-3 in der Sowjetunion.

Bestimmte andere Fusionsreaktionen und damit -brennstoffe (siehe folgende Abschnitte) hätten Vorteile gegenüber DT, z. B. hinsichtlich Radioaktivität und hinsichtlich leichter Nutzbarmachung der gewonnenen Reaktionsenergie. Sie stellen aber – wegen kleineren Energiegewinns pro Einzelreaktion, viel höherer nötiger Plasmatemperaturen und/oder mangelnder Verfügbarkeit auf der Erde – bis auf Weiteres nur rein theoretische Möglichkeiten dar.

Deuterium-Deuterium

Bei den folgend erwähnten Fusionsreaktionen sind die Energieausbeuten und/oder die Wirkungsquerschnitte bei realistischen Plasmatemperaturen zu klein, um eine wirtschaftliche technische Nutzung heute absehen zu können, oder die Stoffe sind auf der Erde nicht in genügender Menge verfügbar. Die Brennstoffe sind aber grundsätzlich interessant als Möglichkeiten in einer fernen Zukunft.

In den bisherigen Versuchsanlagen wird fast ausschließlich reines Deuterium als Brennstoff verwendet, denn die meisten technischen Probleme der Herstellung und Erhaltung eines Fusionsplasmas können auch damit untersucht werden. Für die DD-Fusion ist kein Erbrüten des Brennstoffs nötig, Deuterium ist nicht radioaktiv und die Abstoßung zwischen den Reaktionspartnern ist nicht größer als bei der DT-Reaktion. Zwei Reaktionsverläufe sind möglich:

Für eine Kraftwerksnutzung sind die Nachteile gegenüber DT der viel kleinere Energiegewinn und der viel kleinere Wirkungsquerschnitt, was die erforderliche Einschlusszeit erhöht. Das Plasma ist durch das entstehende Tritium nicht ganz frei von Radioaktivität. Als Folgereaktionen treten im DD-Plasma zusätzlich auf:

Deuterium – Helium-3 und Helium-3 – Helium-3

Der Helium-3-Kern ähnelt dem Tritiumkern; einzig die Anzahl an Neutronen und Protonen ist vertauscht. Die D-3He-Reaktion (oben als Folgereaktion der Deuterium-Deuterium-Fusion erwähnt) liefert dementsprechend einen Helium-4-Kern und ein Proton von etwa 14 MeV Energie. Allerdings muss die höhere Abstoßung des doppelt geladenen Helium-3-Kerns überwunden werden. Die Umsetzung der kinetischen Energie des Protons in nutzbare Form wäre einfacher als beim Neutron aus der DT-Reaktion. In geringem Maße würden auch Deuteriumionen untereinander reagieren, es entstünden also auch Neutronen und Tritium, aber die Strahlenschadens- und Radioaktivitätsprobleme wären um Größenordnungen geringer.

In einem allein mit 3He betriebenen Fusionsreaktor gäbe es so gut wie keine Radioaktivität. Allerdings müssten für die Reaktion

noch größere Abstoßungskräfte überwunden werden.

Eine grundsätzliche Schwierigkeit liegt in der Verfügbarkeit von 3He, das auf der Erde nur in geringer Menge vorhanden ist. Größere Mengen 3He sind in Mondgestein nachgewiesen worden. Für eine mögliche Gewinnung auf dem Mond und Transport zur Erde müsste die sichere technische Machbarkeit nachgewiesen und das Kosten-Nutzen-Verhältnis abgewogen werden.

Schwerere Brennstoffe

Es ist vorgeschlagen worden, Nuklide wie Lithium, Beryllium oder Bor zu fusionieren. Derartige Reaktionen würden wenige Neutronen freisetzen und – wie auch D + 3He – die Energie stattdessen in Form geladener Teilchen abgeben, also leichter zu nutzen sein.

Allerdings sind die erforderlichen Bedingungen für diese Reaktionen noch viel schwieriger zu erreichen, weil es sich um mehrfach geladene Atomkerne mit entsprechend stärkerer Abstoßung handelt. Zum Beispiel müsste für die Bor-Reaktion

im Vergleich zur Tritium-Reaktion die Temperatur 10-mal höher und die Einschlusszeit 500-mal länger sein. Selbst dann ist die Leistungsdichte 2500-mal niedriger.

Technische Hürden von Fusionsreaktoren

Der Schwerpunkt dieses Kapitels liegt in der Fusion von Deuterium und Tritium, da darin in absehbarer Zeit der vielversprechendste Ansatz liegt.

Für den Betrieb eines kontinuierlich laufenden Fusionsreaktors muss eine Vielzahl an technischen Schwierigkeiten überwunden werden. So ist auf diesen Gebieten noch viel Forschungsaufwand notwendig, bis ein wirtschaftlich rentabler Fusionsreaktor gebaut werden kann.

Ein DT-Fusionsreaktor muss neben der Gewinnung und technischen Nutzbarmachung der Energie auch, ähnlich einem Brutreaktor, den Brennstoff Tritium aus Lithium erbrüten, da Tritium als natürliche Ressource nicht vorhanden ist. Der Reaktor ist dazu von einem Brutmantel, dem Blanket, umgeben.

Tritium ist radioaktiv. Es emittiert allerdings nur eine Betastrahlung mit geringer Maximalenergie und ohne begleitende Gammastrahlung. Im Radioaktivitätsinventar eines Fusionsreaktors wird es nur einen relativ kleinen Beitrag darstellen (siehe auch Abschnitt „Umweltaspekte und Sicherheit“).

Die Nutzenergie des DT-Reaktors tritt in Form sehr schneller Neutronen auf. Die große Neutronenflussdichte und die hohe Energie der Neutronen (14,1 MeV) stellen ganz spezielle Anforderungen an die Materialien der Anlage. Metallische Werkstoffe werden nicht nur wie bei Kernspaltungsreaktoren durch Versprödung, sondern zusätzlich durch Schwellung geschädigt (aufgrund von (n,alpha)-Kernreaktionen, die im Metallgefüge Helium erzeugen). Außerdem werden durch Kernreaktionen in den Materialien radioaktive Nuklide gebildet. Um möglichst wenige davon zu erzeugen, die zudem möglichst geringe Halbwertszeiten aufweisen sollten, können nur Materialien aus bestimmten Elementen verwendet werden. Das Strukturmaterial von ITER ist zwar noch ein üblicher austenitischer Chrom-Nickel-Edelstahl. Für zukünftige Kraftwerksreaktoren sind solche Stähle aber nicht brauchbar, weil aus dem Nickelanteil große Mengen des relativ langlebigen und stark gammastrahlenden Cobalt-60 entstehen würden.

Die Werkstoffentwicklung ist daher ein entscheidend wichtiger Teil der Fusions-Entwicklungsprogramme. Sie konzentriert sich auf nickelfreie, ferritisch-martensitische Stähle; daneben werden auch Legierungen auf Vanadiumbasis und das keramische Siliziumcarbid (SiC) untersucht.

Plasmaeinschluss und Lawson-Kriterium

Für eine selbsterhaltende energetische Kettenreaktion, die mehr Energie liefert, als zu ihrer Einleitung aufgewendet wurde, muss bei gegebener Temperatur des DT-Plasmas das Produkt aus der Plasmadichte und der Einschlussdauer, während der diese Dichte und Temperatur aufrechterhalten bleiben, einen bestimmten Mindestwert übersteigen (Lawson-Kriterium). Das Plasma muss dabei so eingeschlossen werden, dass es nicht mit der Gefäßwand zusammenstößt, weil es sonst sofort auskühlen würde.

Diese Bedingung kann auf zwei ganz verschiedene Arten erfüllt werden:

Die technologische Entwicklung zur zivilen Nutzung der Fusionsenergie umfasst bis heute fast nur die magnetische Einschlussmethode.

Reaktorkonzepte mit magnetischem Einschluss

Siehe Hauptartikel Fusion mittels magnetischen Einschlusses

In Tokamaks und Stellaratoren schließt ein torusförmiges, verdrilltes Magnetfeld das Plasma ein. Tokamaks erzeugen die Verdrillung durch Induzieren eines elektrischen Stroms in das Plasma, Stellaratoren haben stattdessen spezielle, komplizierte Formen der Magnetfeldspulen.

Der Tokamak ist das am weitesten fortgeschrittene und international mit ITER (siehe oben) verfolgte Konzept. Er hat jedoch den prinzipbedingten Nachteil, dass sein Betrieb nicht kontinuierlich, sondern nur gepulst, das heißt mit regelmäßigen kurzen Unterbrechungen, möglich ist. Deshalb wird als Alternative auch die Stellarator-Entwicklungslinie mit öffentlichen Forschungsmitteln unterstützt.

Ein Netto-Energiegewinn erfordert

Auch einige existierende Versuchsanlagen und die im Bau befindlichen Wendelstein 7-X und ITER verwenden bereits supraleitende Spulen.

Bemerkung zur Terminologie: Mit der Bezeichnung „Reaktor“ ist meist die Gesamtanlage gemeint, die schon bei den heutigen Versuchseinrichtungen aus vielen Teilen besteht: mindestens aus dem Plasmagefäß, der Magnetspulenanordnung mit Stromversorgung und ggf. einer kryotechnischen Anlage, Plasma-Heizeinrichtungen sowie Messeinrichtungen. Beim zukünftigen Fusionskraftwerk kommen noch das Blanket (Reaktormantel) mit Kühlkreislauf, eine Anlage zur Tritiumaufarbeitung, der/die Dampferzeuger und Turbinen-Generator-Sätze dazu.

Herstellen und Aufheizen des Plasmas

Um den Prozess in Gang zu bringen, müssen in das viele Kubikmeter große, fast völlig evakuierte Reaktionsgefäß einige Gramm Deuterium-Tritium-Gasgemisch eingelassen und dann „von außen“ zu einem Plasma von etwa 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Die Teilchendichte (Zahl der Teilchen pro Kubikzentimeter) entspricht dann noch immer einem Hochvakuum, aber wegen der hohen Temperatur übt das Plasma einen Druck der Größenordnung 1 Bar aus, der durch das Magnetfeld gehalten werden muss.

Für das Aufheizen werden verschiedene Methoden entwickelt:

Wenn die Fusionsreaktion dann als energetische Kettenreaktion abläuft, geben die gebildeten Heliumkerne ihre Energie – ein Fünftel der Energieausbeute der Kernreaktion (3,5 MeV) – durch Stöße an Deuterium- und Tritiumkerne ab und erhalten so die notwendige Plasmatemperatur aufrecht.

Nachfüllen des Brennstoffs

Zum Nachfüllen von Brennstoff während der Brenndauer des Plasmas hat sich das Hineinschießen von „Pellets“ aus einem gefrorenem Deuterium-Tritium-Gemisch in das Gefäß als geeignete Technik erwiesen. Solche Pellets mit einer Masse von beispielsweise 1 mg werden hierfür durch eine Zentrifuge oder pneumatisch (mit einer Art Gasgewehr) auf eine Geschwindigkeit in der Größenordnung 1000 m/s gebracht. Diese Nachfüllmethode gestattet es, durch die Wahl der Einschussstelle und der Pelletgeschwindigkeit die räumliche Dichteverteilung des Plasmas gezielt zu beeinflussen.

Entfernen von Helium und Verunreinigungen

Das Reaktionsprodukt Helium-4 sowie unvermeidlich aus dem Wandmaterial herausgeschlagene Kerne wirken als Verunreinigungen und müssen ständig aus dem Plasma entfernt werden. Alle haben höhere Ladungszahlen als die Wasserstoffisotope und werden infolgedessen magnetisch stärker abgelenkt. Zu ihrer Entfernung werden Divertoren entwickelt, die mit einem Hilfs-Magnetfeld die unerwünschten Ionen aus dem Plasma heraus auf besondere, am Rande des Torus montierte Prallplatten lenken. Dort kühlen sie ab und fangen dadurch wieder Elektronen ein, d. h. sie werden zu neutralen Atomen. Diese werden von Magnetfeldern nicht beeinflusst und können von der ständig für Hochvakuum sorgenden Absauganlage ausgeschleust werden.

Abfuhr und Nutzung der freigesetzten Energie

Von der Energieausbeute der Kernreaktion (pro Einzelreaktion 17,6 MeV) treten vier Fünftel, also 14,1 MeV, als Bewegungsenergie des erzeugten Neutrons auf. Die Neutronen werden vom Magnetfeld nicht beeinflusst, durchdringen leicht die Wand des Plasmagefäßes und gelangen damit in das Blanket, wo sie zunächst durch Stöße ihre Energie als nutzbare Wärme abgeben und danach zum Erbrüten je eines Tritiumatoms dienen. Mit dieser Wärme wird - wie in Kraftwerken und Kernspaltungsreaktoren - Dampf erzeugt, der in herkömmlicher Weise Turbinen mit angekoppelten Stromgeneratoren antreibt.

Reaktoren mit inertiellem oder Trägheitseinschluss

Siehe Hauptartikel Trägheitsfusion

In einem Trägheitseinschluss-Fusionsreaktor würden, stark vereinfacht gesagt, sehr kleine Wasserstoffbomben in einem Reaktorgefäß gezündet werden. Das Problem, die nötige Zündenergie genügend schnell (innerhalb weniger Nanosekunden) in ein Zielvolumen von weniger als einem Kubikzentimeter zu bringen, lässt sich mittels Laserstrahlen oder Ionenstrahlen aus Teilchenbeschleunigern lösen. Der dadurch extrem schnell aufgeheizte Brennstoff – beispielsweise 2,5 Milligramm DT, also rund 3×1020 Atompaare – wird durch Rückstoßeffekte zu einem Plasma sehr hoher Dichte, dessen Fusionsprozess insgesamt eine Energie von 1 GJ freisetzt. Die Reaktion läuft nur so lange ab, wie der Brennstoff durch seine Massenträgheit zusammenhält (Picosekunden), aber wegen der Dichte genügt dies für einen großen Netto-Energiegewinn. In einem Reaktor dieser Art würden pro Sekunde mehrere eingeschossene DT-„Targets“ abbrennen.

Für Trägheitseinschluss-Reaktoren gibt es bisher (2008) zwar veröffentlichte Konzeptstudien, aber keine Versuchsreaktoren. Im Bau befinden sich Anlagen (National Ignition Facility in USA und Laser Mégajoule in Frankreich), in denen frühestens ab 2010 die Zündung von Fusionsplasmen mit Laserstrahlen erreicht werden soll. Erklärter Zweck der Versuche ist es, die eingestellten früheren Kernwaffentests zu ersetzen. Die zu erwartenden physikalischen Grundlagenerkenntnisse würden jedoch auch einer zivilen Reaktorentwicklung nützen. Laserstrahlen werden verwendet, weil Hochleistungslaser beispielsweise schon im Rahmen des SDI-Projektes weit entwickelt worden sind. Für Reaktorkraftwerke, also Anlagen mit Netto-Energiegewinn, sind jedoch gerade Laser wegen ihrer geringen Wirkungsgrade kaum geeignet.

Alternative Konzepte der DT-Fusionsenergiegewinnung

Andrei Sacharow (einer der Urheber des Tokamak-Konzepts und auch der lasergetriebenen Trägheitsfusion) hat eine Art katalytische Beschleunigung der Fusions-Kettenreaktion mittels Myonen vorgeschlagen (siehe Myon). Das Verfahren ist physikalisch plausibel, aber eine Netto-Energiegewinnung würde voraussichtlich am hohen Energieaufwand für die Erzeugung der Myonen (zu geringe Wirkungsgrade von Teilchenbeschleunigern) scheitern.

Weitere Konzepte zum Plasmaeinschluss oder zur Erzeugung von Kernfusion ohne Plasma sind unter Farnsworth-Hirsch-Fusor, Kalte Fusion und Bläschenfusion beschrieben. Keines dieser Verfahren hat bisher jedoch eine Gewinnung von Fusionsenergie reproduzierbar demonstrieren können.

Liste von Versuchsanlagen

Tokamaks

Im Betrieb befindliche, größere Tokamaks

Geplante Tokamaks:

Stellaratoren

Beendetes Experiment

Im Betrieb

Im Bau

Trägheitseinschluss (Laserfusion)

Andere

Für und Wider

Machbarkeit und Kosten

Es ist noch nicht klar, inwiefern die Kernfusion mit herkömmlichen Energiequellen konkurrieren könnte, da zwar mit vernachlässigbar geringen Kosten für den Brennstoff gerechnet werden kann, der Bau der Kraftwerksanlage jedoch eine große Investition bedeutet. Abschätzungen ergeben, dass ein Kernfusionskraftwerk mit 30 Jahren Nutzungsdauer Strom zu einem schon heute konkurrenzfähigen Preis erzeugen könnte.

Bei einer weiteren Verknappung der fossilen Energieträger wird deren Preis weiter steigen. Falls es nicht gelingt, den gesamten Welt-Energiebedarf dauerhaft allein mit regenerativen Methoden, wie beispielsweise Solar-, Wind- oder Wasserenergie zu decken, wäre die Fusion – vorausgesetzt, sie ist dann operativ einsatzfähig – möglicherweise wesentlich kostengünstiger als es herkömmliche Stromerzeugungsmethoden dann sein werden.

Zwischen den bisherigen Kenntnissen und einem funktionierenden Prototypkraftwerk stehen noch bedeutende technische Probleme. Es ist nicht endgültig geklärt, ob ein Fusionsreaktor kommerziell nutzbare Energie liefern kann. Mit ITER soll gezeigt werden, dass die Vergrößerung des Reaktors das erhoffte bessere Verhältnis von aufgewendeter zu gewonnener Energie liefert. Der Nachfolger von ITER, DEMO, soll um das Jahr 2040 schließlich kommerziell nutzbare Energiegewinnung demonstrieren.

Der Jahresverbrauch eines Fusionskraftwerks mit einer Leistung von 1000 MW beträgt 100 kg Deuterium und 150 kg Tritium (aus 300 kg Lithium erbrütet). Für die Brennstoffversorgung fallen also nur geringfügige Kosten und kaum Transporte an.

Um wirtschaftlich arbeiten zu können, müssen Fusionskraftwerke eine gewisse Mindestbaugröße aufweisen, welche etwa den heutigen Kernspaltungskraftwerken entspricht (im Bereich zwischen 1000 und 2000 MW pro Block). Eine Integration solcher Anlagen in das bestehende europäische Verbundstromnetz, z. B. anstelle abgeschalteter Kernkraftwerke, wäre ohne größere Probleme zu realisieren. Jedoch ist es wie bei der Kernspaltungsenergie als grundsätzlicher Nachteil zu sehen, dass wegen der Anlagengröße ein aufwändiges Netz zur Energieverteilung nötig ist und dass die komplexe Technologie sich nur für Industrieländer eignet.

Verfügbarkeit des Brennstoffs

Deuterium ist zu etwa 0,015 % im natürlichen Wasser enthalten und somit fast unbegrenzt verfügbar. Tritium ist in der Natur fast nicht verfügbar, muss also erzeugt werden. Es wird im Blanket des Reaktors nach folgender Reaktionsgleichung aus Lithium erbrütet:

Da Lithium seltener vorkommt als Deuterium, stellt es die begrenzende Ressource dar. Die technisch nutzbaren Lithiumvorkommen reichen jedoch aus, um den Energiebedarf der Menschheit für einige tausend Jahre zu decken. Der Brennstoff ist

Umweltaspekte und Sicherheit

Fusionskraftwerke haben

Kritiker weisen auf die in weiter Zukunft liegende Verfügbarkeit hin und geben zu bedenken, dass Fragen der Sicherheit und Umweltverträglichkeit erst bei einem voll entwickelten Konzept beantwortbar seien.

DT-Fusionsreaktoren wären demnach eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Kernreaktoren, aber keineswegs frei von Radioaktivitätsproblemen. Eine Verringerung des radioaktiven Inventars um Größenordnungen wäre erst mit anderen, heute noch utopischen Fusionsreaktionen möglich (siehe unten).

Risiken hinsichtlich Kernwaffenverbreitung

Bereits eine geringe Menge Tritium oder ein Deuterium-Tritium-Gemisch, wie es in Fusionsreaktoren auftritt, kann im Inneren einer herkömmlichen Atombombe deren Energieproduktion und Zerstörungskraft deutlich steigern, da die bei der Fusion zahlreich erzeugten Neutronen die Kettenreaktion im Uran- oder Plutonium-Kernsprengstoff entsprechend intensivieren. Einfache Kernwaffenkonstruktionen mit nur gering überkritischer Spaltstoffanordnung zum Zeitpunkt der Zündung, wie sie einer terroristischen Gruppe noch am ehesten zuzutrauen sind, profitieren jedoch am wenigsten von einem solchen "Fusions-Booster".

Schließlich kann Wissen aus der Kernfusionsforschung (etwa Wirkungsquerschnitte für die Fusionsreaktion oder für das Erbrüten von Tritium aus Lithium, das Gasverhalten bei hohen Temperaturen und Drücken oder numerische Simulationsmodelle) im Prinzip auch für Bau und Optimierung von Wasserstoffbomben genutzt werden. Allerdings wäre eine Waffe mit DT-Brennstoff praktisch kaum brauchbar.[4]

Literatur

Quellen

  1. Xinhua: Nuke fusion reactor completes test, 24. März 2006
  2. Japan Atomic Energy Agency, Naka Fusion Institute, JT-60 Research Program
  3. The Yomiuri Shimbun: JT-60 smashes record plasma duration time, 11. Mai 2006
  4. Wasserstoffbombe auf der Basis von Deuterium-Tritium wenig praxistauglich