Wie steht es um die Kernfusion? – Ein Blick hinter die neusten Presseschlagzeilen

In den letzten Monaten hören wir von der Presse immer wieder Neuigkeiten zu einem Thema, was über Jahrzehnte durch ein langes Schweigen gekennzeichnet war. So hiess es an ein und demselben Tag (26. Januar 2022) in nahezu allen Pressorganen:

  • Brennendes Wasserstoffplasma im größten Laser der Welt stellt Fusionsrekorde auf
  • Meilenstein der Kernfusion erzeugt erstmals «brennendes Plasma»
  • Physiker schaffen selbstbrennendes Plasma – ein Schritt in Richtung nachhaltige Kernfusionsenergie?
  • Wissenschaftler erreichen einen wichtigen Meilenstein bei der Nutzung der Fusionsenergie

Diese haben es weit in die deutschsprachige Presse geschafft:

  • So betitelt der Spiegel seinen Beitrag dazu mit Wissenschaftlern gelingt Plasma-Zündung,
  • In der Zeit heisst es: Wie der Todesstern, nur auf links gedreht, und
  • Die Welt schreibt: Fortschritte auf dem Weg zur Energiequelle der Zukunft.

Die Fortschritte in der Nuklearfusion (anders als die Kernfission, auf der die heutige, umstrittene Kernkraftgewinnung beruht) sind von sehr grosser Bedeutung, denn Kernfusion bietet die Möglichkeit, sichere und (nahezu) klimaneutrale Energie zu gewinnen.

Dabei ist die Geschichte der Kernfusionsforschung bereits über 80 Jahre alt. Seit den 1930er Jahren wissen Physiker, dass unter sehr hohem Druck und hoher Temperatur Wasserstoffkerne zu Helium-Atomkernen verschmelzen – und, dass es dieser Mechanismus (sowie die Fusion grössere Atomkerne) ist, der es der Sonne ermöglicht, ihre enormen Mengen an Energie zu erzeugen. Die bei diesem Prozess freiwerdenden Energiemengen sind weitaus höher als beim bereits seit mehr als 60 Jahren in Kernkraftwerken verwendeten umgekehrten Vorgang, bei dem schwere Atomkerne gespalten werden. Der Grund für den Energiegewinn liegt darin, dass bei der Fusion von leichten Atomkernen ein klein wenig Masse verloren geht. Dieser Massendefekt manifestiert sich direkt in der (kinetischen) Energie der erzeugten Teilchen. Nach Einsteins berühmter Formel E=mc² ist diese Energie selbst bei der geringen Menge an verloren gegangener Masse enorm: Denn diese Masse (m) wird mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit (c²) multipliziert. So ist das damals erarbeitete Grundkonzept der Kernfusion bis heute die gleiche: Ein Deuterium-Tritium-Plasma (Deuterium und Tritium sind Isotope des Wasserstoff, d.h. ein Proton zusammen mit einem bzw. zwei Neutronen) wird in einer Art Mikrowelle auf mehrere Millionen Grad erhitzt und dann mithilfe eines Magnetfelds eingeschlossen und kontrolliert (ein solches Plasma besteht aus geladenen Teilchen und lässt sich daher über Magnetfelder steuern). Ab einer Temperatur von ca. 100 Millionen Grad zündet das Gemisch und setzt die Fusionsenergie frei (wobei die konkrete Zündungstemperatur von der Teilchendichte, d.h. Drucks.  des Plasmas abhängig ist).

In den letzten Schlagzeilen ging es konkret um die Errungenschaft der Wissenschaftler in der National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Laboratory in Nordkalifornien. Hier wurde mit einem Hochleistungslaser zum ersten Mal ein «brennendes Plasma» erzeugt, womit sich für einen (sehr) kurzen Moment demonstrieren liess, wie der «Brennstoff», d.h. die Kombination aus Deuterium und Tritium, zur Kernfusion geführt und damit Energie erzeugt werden kann. Die erreichte Energie entsprach nahezu der Energie, die für die Aufrechterhaltung der Nuklearreaktion erforderlich ist. Dies entspricht den Reaktionen im Inneren der Sonne, wobei hier auf der Erde das Problem ist, dass zur Erzeugung dieser Reaktionen zunächst enorm hohe Energiemengen bzw. Dichten erforderlich sind, um den Prozess in Gang zu setzen, der sich dann von selbst erhält (auf Sonnen wird dies ab einer gewissen Grösse durch die enorm hohe Gravitationskraft automatisch bewirkt).

Die Ergebnisse der Experimente, die im November 2020 und Februar und dann im August  2021 durch NIF durchgeführt und nun kommuniziert wurden, beschreiben wichtige Schritte in Richtung dieses Ziels durch hochenergetische Laser, die auf kleinstem Raum die erforderlichen Energien erzeugen, damit diese Reaktion darin stattfinden kann. Doch dies ist nur eine von zahlreichen möglichen Methoden. Verschiedene Experimentatoren schlagen unterschiedliche Methoden vor, um die Fusionsreaktion bei hohen Temperaturen bzw. Drücken potentiell aufrechtzuerhalten. Die NIF ist auf einen Ansatz namens «Trägheitseinschluss» spezialisiert, wo hohe Temperaturen (auf sehr kleinen Räumen) erzeugt werden, indem ein winziges Wasserstoffkügelchen im Zentrum mit 192 Hochleistungslasern beschossen wird. Konkret soll dies durch eine sorgfältige Formgebung erreicht werden:  Zum einen für der Brennstoffkapsel – einer winzigen kugelförmigen Hülle aus Polycarbonat-Diamant, die das Pellet mit noch geringerer Volumen enthält – zum Anderen des «Hohlraums», in dem sich das Pellet (deren Volumen so gering sind, dass viele hohlraumartige Bedingungen übrigbleiben) befindet – ein kleiner Zylinder aus abgereichertem, also nicht sehr radioaktivem Uran, der mit Gold ausgekleidet ist. Damit soll innerhalb von 10 Milliardstel Sekunden der Brennstoff auf einen minimalen Bruchteil seines Volumens verringert werden, womit sein Kern eine Temperatur von 50 Millionen Grad Celsius erreicht, unter den entsprechend hohen Druckverhältnissen ausreichend für die Kernfusion. Die Laser verbrauchen allerdings ihrerseits enorme Mengen an Energie und können bisher nur ein- bis zweimal am Tag gezündet werden. Es ist also noch ein langer Weg zur praktischen Realisierung dieses Verfahrens. Doch da beim Experiment im August für sehr kurze Zeit fast so viel Energie aus dem Brennstoffpellet gewonnen wie hineingesteckt wurde, erwarten die Forscher nun, dass künftige Experimente schon bald leistungsfähiger sein werden (wenn auch immer noch für sehr kurze Zeit). Dennoch: Von den meisten Nuklearphysikern wird das Laserverfahren durch die kurze Zeitdauer des Vorgangs kaum als ein Weg zu kommerziellen Reaktoren gesehen. Und man sollte nicht vergessen: Das Hauptaugenmerk der NIF liege nicht auf der Erzeugung sauberer Energie, sondern auf den militärischen Interessen (der «nationalen Sicherheit») der USA.

Nur wenige Monate zuvor gab es im Übrigen bereits eine ähnliche Welle an Zeitungsartikeln zur Kernfusion. Auslöser war hier das Bostoner Unternehmen Commonwealth Fusion Systems (CFS), eine Ausgründung des MIT, das mehr als eine Milliarde Dollar von Investoren wie Bill Gates und George Soros erhalten hat, wie es kommunizierte. Die Funktionsweise dieser Kernfusion ist eine ganz andere als die des NIFs: Hier handelt es sich eher um einen traditionellen Fusionsansatz, indem man einen Donut-förmigen «Tokamak»-Reaktor baut, eine «große magnetische Flasche», wie der CEO von CFS Bob Mumgaard sagt, in der starke Magnetfelder Kugeln in ca. 100 Millionen Grad heissem Plasma des Wasserstoffs kontrollieren, was die gleiche Fusion von Wasserstoffisotop-Kerne hervorbringen soll wie im lasergetriebenen Reaktor. Mumgaard sagte, dass sie in sechs Jahren einen funktionierenden Reaktor haben werden. Sein Optimismus beruhte auf dem erfolgreichen Sommertest 2021 von CFS mit neuen Elektromagneten, die mit Supraleitern aus Barium-Kupfer-Oxid hergestellt wurden.

Es wird jedoch ziemlich sicher Platz für mehr als einen Fusionsgewinner geben. Zu den anderen Unternehmen gehört das in Kanada ansässige und von Jeff Bezos unterstützte Unternehmen General Fusion, das von Investoren 2021 130 Millionen Dollar erhielt. Und dann ist da noch TAE Energy aus Kalifornien, das wohl am weitesten mit der kommerziell erfolgreichen Kernfusion ist und bereits in den in den letzten zwanzig Jahren mit Kosten von einer Milliarde Dollar experimentiert hat und nun mit dem erfolgreichen Aufbringen weiteren Geldes innerhalb der nächsten drei Jahre den ersten dauerhaft funktionsfähigen Kernfusionsreaktor bauen will. Diesen bezeichnen sie schon heute als «Kopernikus». Dieser soll zunächst auch mit Wasserstoffisotopen betrieben werden und bereit um das Jahr 2025 einen Nettoenergiegewinn erzielen. Dann wollen die Wissenschaftler in der Firma aufgrund dessen noch besseren Umwelt- und Kostenprofils jedoch auf den Brennstoff p-11B (Proton-Bor 11) umsteigen, denn diese Reaktion besitzt den Vorteil, dass sie «aneutronisch» ist, d.h. sie erzeugt nicht die schwer zu kontrollierenden hochenergetischen Neutronen, die den grossen Teil der durch die Fusion erzeugten Energie tragen. Ausserdem benötigt es nicht das schwer zu erhaltene schwere Wasserstoffisotop Tritium. Der Baubeginn von Kopernikus, einem Reaktor, der eine interessante Kombination aus einem Teilchenbeschleuniger und einem gewöhnlichen Plasmabehälter darstellt, plant TAE für 2022. Die ultrahohe Temperatur im Plasma wird erreicht, indem man Strahlen von Brennstoffteilchen beschleunigt und sie mit Plasmateilchen kollidieren lässt, was Teilchenphysiker seit Jahrzehnten tun. Die typischen magnetisch eingeschlossenen Plasmadonuts werden dabei durch eine langgestreckte Plasmaröhre in Form einer hohlen Zigarre ersetzt. Um die Stabilität zu verbessern, wird diese Röhre so um sich selbst gedreht, dass sie durch den gyroskopischen Effekt wesentlich stabiler wird. Theoretisch lässt sich mit diesem Ansatz auf viel höhere Temperaturen als die magischen 100 Mio. Grad kommen. TAE hat Belege dafür gefunden, dass die induzierte Stabilität und Ruhe im Plasma tatsächlich mit höherer Temperatur zunimmt! Es ist genau die Hypothese, dass diese vorteilhafte Skalierungseigenschaft bis zu 3 Milliarden Grad erhalten bleibt, auf der TAEs Ansatz beruht. Hier werden wir sehr wahrscheinlich in der nahen Zukunft einiges mehr erfahren.

Die Tatsache, dass nun Investoren mehrere Milliarden Dollar privates Kapital für die nächste Finanzierungsrunde für die Entwicklung von Maschinen zur Kernfusionsenergie anzulegen bereit sind (mir einer entsprechend hohen Renditeerwartung), zeigt, dass sie sich unterdessen  eine kommerziell nutzbare Kernfusion in fünf oder nur wenig mehr Jahren versprechen. Sonst würden sie wohl kaum so viel Geld dort einfliessen lassen. Kommerziell verfügbare Fusionstechnologie, stände sie uns eines Tages – und vielleicht schon bald – tatsächlich zur Verfügung, würde einen gesellschaftlichen Paradigmenwechsel bedeuten. Wären wir tatsächlich in der Lage, Energie wie die Sonne zu produzieren und uns damit Zugang zur effizientesten, sichersten und umweltfreundlichsten Energieform zu verschaffen, die die Natur zu bieten hat, so wäre dies sicher nicht nur ein weiterer grosser technologischer Fortschritt, sondern vielmehr ein zivilisatorischer Sprung, der gleichzusetzen wäre mit der Erfindung der Dampfmaschine, die uns vor 250 Jahren die Energie gab, unsere Gesellschaft komplett umzukrempeln.

3 Kommentare. Hinterlasse eine Antwort

  • Das stimmt sehr optimistisch, und lässt uns auf relativ klimaneutrale, nachhaltig verfügbare und gut kontrollierbare Energiegewinnung hoffen.
    Ich bin gespannt, welche gesellschaftlichen Umbrüche wir erwarten können: sorglosere „Verschwendung“, geopolitische Machtverschiebung mit innenpolitischen Konsequenzen (Stichpunkte russisches Gas oder saudisches Öl), und ganz neue Möglichkeiten in verschiedenen naturwissenschaftlichen Forschungsfeldern (Teilchenphysik, Astronomie)…. hoffen wir nur nicht auf neue Waffensysteme.
    Ein spannendes Update und wie immer sehr anschaulich erklärt. Danke, Lars!

    Antworten
  • Helmut Schmitt
    Februar 4, 2022 4:54 pm

    Interessant, aber in welcher Größenordnung noch beherrschbar.

    Antworten
  • Eduard Beer
    April 2, 2022 9:27 am

    „Zugang zur effizientesten, sichersten und umweltfreundlichsten Energieform“ ??? Das klingt wohl zu optimistisch um wahr zu sein!
    Dazu findet man beim Max-Planck-Institut für Plasmaphysik folgendes:
    „Ein Fusionskraftwerk erzeugt radioaktiven Abfall, weil die energiereichen Neutronen, die bei der Fusion entstehen, die Wände des Plasmagefäßes aktivieren. Wie intensiv und wie lang andauernd diese Aktivierung ausfällt, hängt von den Materialien ab, auf welche die Neutronen auftreffen. Deshalb wurden und werden für die Fusion spezielle, niedrig-aktivierbare Materialien entwickelt.

    Insgesamt wird ein Fusionskraftwerk während seiner etwa 30jährigen Lebenszeit je nach Bauart zwischen 60.000 und 160.000 Tonnen radioaktiven Materials erzeugen, das nach Betriebsende des Kraftwerks zwischengelagert werden muss. Die Aktivität des Abfalls nimmt rasch ab: nach etwa 100 Jahren auf ein zehntausendstel des Anfangswerts. Nach ein- bis fünfhundert Jahren Abklingzeit ist der radiotoxische Inhalt des Abfalls vergleichbar mit dem Gefährdungspotential der gesamten Kohleasche aus einem Kohlekraftwerk, die stets natürliche radioaktive Stoffe enthält.

    Bei sorgfältiger Materialauswahl ist eine Endlagerung nicht nötig: Nach einer Wartezeit von 50 Jahren können von der Gesamtmasse des Fusionsabfalls je nach Bauart 30 bis 40 Prozent unbeschränkt freigegeben werden. Der übrige Abfall kann nach weiteren 50 Jahren rezykliert und in neuen Kraftwerken wieder verwendet werden.“
    Quelle: https://www.ipp.mpg.de/2641049/faq9

    Mir scheint auch diese Darstellung noch zu optimistisch. Sie enthält sehr unkalkulierbare Einschränkungen („…werden für die Fusion spezielle, niedrig-aktivierbare Materialien entwickelt.“ oder „Bei sorgfältiger Materialauswahl …“)

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