Was ist Kernfusion?

Wie funktioniert die Kernfusion?

Fusionsreaktionen finden in einem heißen Gas statt, das als Plasma bezeichnet wird. Plasma besteht aus frei beweglichen Elektronen und positiven Ionen und hat einzigartige Eigenschaften, die sich von anderen Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern unterscheiden.

Sterne, einschließlich unserer Sonne, sind Plasmakugeln aus Wasserstoff und Helium, die durch den Gravitationskollaps von Wolken aus kaltem Gas entstehen, das komprimiert und erhitzt wird und zu Plasma wird. Dies alles schafft die perfekten Bedingungen, einschließlich der hohen Temperaturen von etwa zehn Millionen Grad Celsius, die für die Wasserstofffusion erforderlich sind.

Diese hohen Temperaturen liefern den leichten Atomkernen genug Energie, um ihre natürliche elektrische Abstoßung zu überwinden, so dass die Kernkraft, die sie anzieht, die elektrische Abstoßung (die so genannte Coulomb-Kraft) überwiegt, sobald sie sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, so dass sie verschmelzen können. Neben der Hitze und der räumlichen Nähe erfordert die Fusion, dass die Kerne auf einen kleinen Raum beschränkt sind. Der extreme Druck, der durch die Schwerkraft von Sternen entsteht, schafft diese letzte Voraussetzung für die Fusion.

Wenn Protonen und Neutronen aus leichteren Kernen durch diese Kernanziehung zusammengeführt werden, setzt die Kernreaktion zusätzliche Energie frei. Anders verhält es sich bei schwereren Kernen, bei denen die Kernkraft kürzer ist und die, anstatt bei der Fusion Energie freizusetzen, Energie als Input benötigen.

Sterne erzeugen Energie, indem sie Wasserstoffkerne fusionieren und Helium freisetzen. Im Kern der Sonne werden pro Sekunde 620 Millionen Tonnen Wasserstoff fusioniert, wodurch 616 Millionen Tonnen Helium pro Sekunde entstehen. Bei jeder Verschmelzung von zwei Wasserstoffkernen zu Helium werden 0,645 % der Masse als kinetische Energie von Alphateilchen und anderen Energieformen wie elektromagnetischer Strahlung abgeführt.

Die Forschung hat sich damit beschäftigt, diese natürliche Reaktion nutzbar zu machen und die dabei entstehende Energie für den eigenen Bedarf zu verwenden. Der Mensch hat bereits den umgekehrten Prozess, die Kernspaltung, bei der schwerere Elemente wie Uran und Plutonium gespalten werden, zur Energiegewinnung genutzt. Die Bindungsenergie zwischen Kernmaterie ist das Maß für die Effizienz, mit der Nukleonen miteinander verbunden werden, und bestimmt die Energie, die sowohl bei der Kernspaltung als auch bei der Kernfusion freigesetzt wird.

Mit der richtigen Wärmemenge, in unmittelbarer Nähe und unter hohem Druck können Protonen und Neutronen zueinander gezwungen werden, wobei je nach Zusammensetzung des Elements unterschiedliche Energieniveaus freigesetzt werden. Wasserstoff zum Beispiel besteht aus einem einzigen Proton, während die schweren Isotope des Wasserstoffs – Deuterium (D) und Tritium (T) – mehr Energie freisetzen, da sie mehr Teile enthalten (Deuterium hat ein Proton und ein Neutron, während Tritium ein Proton und zwei Neutronen hat). Bisher haben wir uns mit der Fusion in Sternen befasst, aber Wissenschaftler und Ingenieure haben versucht, die Bedingungen für die Fusion hier auf der Erde nachzubilden.

Die massive Anziehungskraft von Sternen trägt zur Fusion bei, aber ohne diese Kraft sind höhere Temperaturen erforderlich, um eine Fusion zu bewirken. Auf der Erde beispielsweise sind Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius erforderlich, um eine Fusion zwischen Deuterium und Tritium zu bewirken.

Geschichte der Kernfusionsforschung

Der Fusionsprozess wurde als Mittel zum Verständnis der Kernmaterie, zur Erforschung der Kernphysik stellarer Objekte und zur Herstellung thermonuklearer Waffen untersucht. Die Entwicklung von Fusionsreaktoren zur Energieerzeugung wird jedoch erst seit den 1940er Jahren vorangetrieben.

1920 schlug Arthur Eddington erstmals vor, dass die Wasserstoff-Helium-Fusion die Hauptenergiequelle von Sternen sein könnte. 1927 entdeckte Friedrich Hund das Quantentunneln. Anschließend wiesen Robert Atkinson und Fritz Houtermans anhand der gemessenen Massen leichter Elemente nach, dass bei der Verschmelzung kleiner Kerne große Energiemengen freigesetzt werden.

Die frühen Experimente von Patrick Blackett zur künstlichen Kerntransmutation führten 1932 zur ersten Fusion von Wasserstoffisotopen im Labor durch Mark Oliphant. Im weiteren Verlauf der 1930er Jahre erarbeitete Hans Bethe die Theorie des Hauptzyklus der Kernfusion in Sternen.

Mit dem Beginn des Zweiten Weltkriegs war es nicht verwunderlich, dass militärische Zwecke Vorrang hatten, denn die Fusionsforschung floss in das Manhattan-Projekt der frühen 1940er Jahre und in die Entwicklung von Atomwaffen ein. Dies führte zum Test der thermonuklearen Wasserstoffbombe ‘Ivy Mike‘ am 1. November 1952, bei dem eine sich selbst erhaltende Kernfusion stattfand.

Als Forschungsprogramme im Vereinigten Königreich, in den Vereinigten Staaten und in der Sowjetunion in den späten 1940er und in den 1950er Jahren zu einem besseren Verständnis der Kernfusion führten, begannen die Forscher zu überlegen, wie der Prozess für die praktische Energieerzeugung genutzt werden könnte.

Die ersten Forschungsprogramme für Fusionsreaktoren konzentrierten sich in erster Linie auf die Nutzung von Magnetfeldern und elektromagnetischen Kräften, um das heiße Plasma einzuschließen, das zur Erzeugung von Kernfusionsreaktionen benötigt wird. Die sich ausbreitenden heißen Gase ließen sich jedoch nur schwer eindämmen, da sie leicht aus den sie einschließenden magnetischen Strukturen entweichen konnten.

Obwohl der Kalte Krieg noch andauerte, wurde auf der Zweiten Genfer Konferenz über die friedliche Nutzung der Atomenergie 1958 ein Großteil der Fusionsforschung der Vereinigten Staaten, des Vereinigten Königreichs und der Sowjetunion freigegeben, was eine internationale Zusammenarbeit ermöglichte, die bis heute andauert.

Anfang der 1960er Jahre begannen die Arbeiten zur Trägheitsfusion (Inertial Confinement Fusion, ICF), die eine weitere potenzielle Methode zur Erzeugung von Kernfusion mit Hilfe von Lasern bot. Der damals als geheim eingestufte Vorschlag zielte darauf ab, große Laserenergieimpulse einzusetzen, um Materie zu implodieren und auf Temperaturen zu erhitzen, die hoch genug waren, um eine Kernfusion zu bewirken. Diese Arbeiten sind seither (seit den 1970er Jahren) weiter vorangeschritten und wurden freigegeben, und auch heute noch wird an der Entwicklung von Kurzpuls-Hochleistungslasern und millimetergroßen Targets gearbeitet, die zur Erzeugung von Kernfusion geeignet sind.

Der magnetische Einschluss scheint bei Fusionsreaktoren immer noch führend zu sein, da die notwendigen Bedingungen für die Wärmeisolierung und die Plasmatemperaturen weitgehend erreicht wurden. Wir sind zwar noch nicht ganz an dem Punkt angelangt, an dem Kernfusionsreaktoren einsatzbereit sind, aber Experten glauben, dass wir uns dem nähern.

Vorteile

Wissenschaftler und Ingenieure haben untersucht, wie die Kernfusion auf der Erde in industriellem Maßstab nachgebaut und nutzbar gemacht werden kann.

Zu den Vorteilen der Kernfusion gehört die Bereitstellung einer vollständig erneuerbaren, sauberen, sicheren und erschwinglichen Energiequelle. Mit der Kernfusion lässt sich pro Kilogramm etwa die vierfache Energiemenge im Vergleich zur Kernspaltung und fast das Viermillionenfache der Energiemenge aus der Verbrennung von Kohle oder Öl erzeugen.

Viele der in der Entwicklung befindlichen Fusionsreaktorkonzepte verwenden Deuterium und Tritium, Wasserstoffatome, die zusätzliche Neutronen enthalten und in der Lage sind, aus nur wenigen Gramm ein Terajoule Energie zu erzeugen, was ausreicht, um eine Person in einem Industrieland sechzig Jahre lang mit Energie zu versorgen.

Ein weiterer Vorteil der Fusion besteht darin, dass die Rohstoffe leicht zu gewinnen sind. Deuterium kann aus Meerwasser gewonnen werden, und Tritium kann aus der Reaktion von Neutronen mit Lithium hergestellt werden. Beide Vorräte reichen für Millionen von Jahren.

Die Kernfusion hat nicht nur das Potenzial, nahezu unbegrenzt saubere Energie zu liefern, sondern ist auch eine sichere Energiequelle, die im Gegensatz zur Kernspaltung keinen langlebigen Atommüll erzeugt. Da es schwierig ist, eine Fusionsreaktion zu starten und aufrechtzuerhalten, besteht keine Gefahr, dass die Reaktion abläuft und eine Kernschmelze verursacht. Sollte es zu einem Unfall kommen, wird das Plasma sehr schnell abklingen und seine Energie verlieren, bevor der Reaktor nachhaltig beschädigt wird.

Schließlich werden bei der Kernfusion kein Kohlendioxid oder andere schädliche Treibhausgase in die Atmosphäre freigesetzt, so dass sie auch eine kohlenstoffarme Energiequelle darstellt.

Beispiele

Es werden hauptsächlich zwei Methoden untersucht, um das für Fusionsreaktionen auf der Erde erforderliche Hochtemperaturplasma einzuschließen. Dies sind der magnetische Einschluss und der Trägheitseinschluss. Neben diesen beiden Hauptmethoden wurden auch Untersuchungen zur Katalyse der Fusion durch den Einsatz von Myonen sowie zur kalten Fusion und zur Blasenfusion durchgeführt.

Wir werden jeden dieser Prozesse der Reihe nach betrachten:

1. Magnetischer Einschluss:

Bei dieser Methode werden Magnetfelder verwendet, um das Plasma an Ort und Stelle zu halten. Das Plasma wird in der Regel in einer ringförmigen Kammer, einem so genannten Torus, gehalten, an dessen Innenrändern starke Magnete angebracht sind. Das Magnetfeld hält das heiße Plasma in der Mitte der Kammer und von den Rändern fern. Das Plasma kann auch seine eigenen Magnetfelder erzeugen, während es fließt, was ebenfalls genutzt werden kann, um das Plasma selbst weiter einzuschließen. Diese Methode hat sich in den als Tokamaks bekannten Maschinen bewährt, die die für eine Fusionsreaktion erforderliche Wärme, Teilchendichte und Energieeinschränkung erzeugen können.

2. Trägheitsfusion (Inertial Confinement Fusion, ICF):

Bei der ICF wird die Fusionsreaktion durch Kompression und nicht durch hohe Temperaturen ausgelöst. Durch die Komprimierung des Brennstoffs über kurze Zeiträume (gemessen in Nanosekunden) wird die Implosionsgeschwindigkeit erhöht und es entstehen Schockwellen, die das Zentrum des gekühlten Plasmas erhitzen. Diese Schockwärme setzt die Fusionsreaktion in Gang, die Energie freisetzt. Bei dieser Methode werden die gleichen Prozesse des Kollapses, der Kompressionserwärmung und der anschließenden Kernfusion wie bei thermonuklearen Waffen angewandt. Auch Sterne nutzen eine ähnliche Reihe von Prozessen, mit dem Unterschied, dass diese durch die Schwerkraft hervorgerufen werden, wodurch sie kollabieren, sich erhitzen und wieder ausdehnen, um ein Gleichgewicht zwischen Größe und Temperatur zu erreichen. Die auf der Erde am häufigsten verwendete Technologie zur Erzeugung dieser Art von Fusion sind Hochleistungslaser, obwohl auch Teilchenbeschleuniger eingesetzt wurden. Die Erforschung dieses Prozesses, bei dem Laser in sehr kurzen Stößen die Fusion auslösen, findet in Einrichtungen wie dem Laser MegaJoule in Bordeaux, Frankreich, und der National Ignition Facility am Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore, Kalifornien, USA, statt.

3. Katalysierte Fusion mit Myonen:

Bei diesem Verfahren, bei dem die Elektronen, die normalerweise den Kern eines Brennstoffatoms umgeben, durch Myonen ersetzt werden, kann die Fusion bei wesentlich niedrigeren Temperaturen stattfinden. Myonen sind negativ geladene subatomare Teilchen, die den Elektronen ähneln, aber weit weniger stabil sind. Diese Myonen können erzeugt und dann sofort in ein Gemisch aus Deuterium und Tritium injiziert werden, wo sie sich mit einem Deuteron oder einem Triton verbinden und ein D+–μ- oder T+–μ-Atom bilden können. Dieses Atom befindet sich nun in einem angeregten Zustand, so dass das Myon zwischen Deuteronen und Tritonen oder umgekehrt übertragen werden kann. Die Myonen können sich auch gleichzeitig mit Deuteronen und Tritonen verbinden und ein myonisches Molekül (D+–μ–T+) bilden. Diese Myonenmoleküle bewirken eine Fusion zwischen den Deuteronen- und Tritonen-Teilchen, wodurch Energie freigesetzt wird und das Myon weiterziehen und sich mit weiteren Deuteronen und Tritonen verbinden kann. Dieser Prozess ist jedoch sehr komplex und erfordert eine Reihe von atomaren, molekularen und nuklearen Prozessen, bevor das Myon zerfällt. Die Erzeugung der Myonen selbst erfordert ebenfalls Energie (etwa fünf Milliarden Volt pro Myon), so dass es eine Herausforderung ist, genügend Energie zu erzeugen, um die bei der Erzeugung der Fusion aufgewendete Energie auszugleichen, was mindestens 300 D-T-Fusionsreaktionen innerhalb der Halbwertszeit eines jeden Myons erfordert.

4. Kalte Fusion:

Die kalte Fusion wurde erstmals 1989 angekündigt, als zwei Chemiker behaupteten, sie hätten mit Hilfe von Elektrolysezellen mit schwerem Wasser (Deuteriumoxid, D₂O) und Palladiumstäben, die das Deuterium aus dem schweren Wasser absorbierten, Fusionsreaktionen bei Raumtemperatur erzeugt. Es gab jedoch keine theoretische Erklärung für diese Behauptungen, und die weltweiten Versuche, die kalte Fusion zu reproduzieren, scheiterten.

5. Blasenfusion:

Im Jahr 2002 behaupteten Wissenschaftler, dass sie bei akustischen Kavitationsexperimenten mit gekühltem Aceton, das deuteriert, d.h. mit Deuterium beschossen wurde, Fusionsreaktionen erzeugten. Dabei kam eine Technik namens Sonolumineszenz zum Einsatz, bei der eine Gasblase mit Hochdruck-Schallwellen implodiert. Beim Implodieren dieser Blasen werden die Bedingungen für eine hohe Dichte und Temperatur geschaffen, was zur Emission von Licht führt. Die Wissenschaftler erklärten, sie hätten größere, millimetergroße Blasen verwendet, die in einer Acetonflüssigkeit deuteriert worden seien, um Dichten und Temperaturen zu erzeugen, die Fusionsreaktionen auslösen können, bevor die Blasen zerplatzen. Wie bei der kalten Fusion sind jedoch spätere Versuche, die Ergebnisse zu wiederholen, gescheitert.

Künftige Entwicklung der Fusionstechnologie

Die Kernfusionsforschung wurde in den letzten Jahrzehnten in über 50 Ländern mit unterschiedlichem Erfolg durchgeführt.

Die Zukunft der Entwicklung der Fusionstechnologie und die Beschleunigung der Einführung der Kernfusion als lebensfähige Energiequelle hängen von der globalen Zusammenarbeit ab.  Neu entstehende Technologien müssen entwickelt, validiert und qualifiziert werden, ebenso wie die Entwicklung der entsprechenden Infrastruktur und Normen.

Derzeit sollen im Rahmen des ITER-Projekts in Frankreich ab 2036 Experimente mit voller Leistung durchgeführt werden, und bis 2050 soll ein betriebsbereites Fusionskraftwerk zur Stromerzeugung errichtet werden.

Neben der staatlich geleiteten Forschung gibt es auch eine wachsende Zahl privat finanzierter kommerzieller Unternehmen, die sich auf die jahrzehntelange öffentlich finanzierte Fusionsforschung stützen und diese erweitern. Diese privat finanzierten Organisationen deuten auf ein Datum vor 2050 für das erste betriebsbereite Fusionskraftwerk hin.

Schlussfolgerung

Mit dem Wachstum der Weltbevölkerung wird auch der Energiebedarf steigen. Dieser Bedarf wird wahrscheinlich durch einen Mix aus verschiedenen Energiequellen gedeckt werden, darunter Wasserkraft, Windkraft, Solarenergie und eine neue Generation von Kernspaltungsanlagen.

Obwohl sie noch einige Jahre entfernt ist, könnte sich die Kernfusion angesichts des Potenzials, saubere und erneuerbare Energie in großem Maßstab zu erzeugen, als wichtige Ergänzung des künftigen Energiemixes erweisen.

Bis es soweit ist, muss noch einiges getan werden, um sicherzustellen, dass große Kernfusionsanlagen effektiv, vollständig getestet und sicher in Betrieb genommen werden können. Die Kernfusion wurde bereits in experimentellen Fusionsreaktoren erreicht, so dass es sicherlich nur eine Frage der Zeit ist, bis sie Teil der sauberen globalen Energielösung wird.

Weitere Informationen zur Kernenergie finden Sie unter der Fragestellungen „What is Nuclear Energy“ und „Nuclear Fusion vs. Fission: What’s the Difference?“ in unseren englischsprachigen FAQs.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

Kann die Kernfusion ewig weitergehen?

Die Kernfusion hat das Potenzial, eine nahezu unbegrenzte Energiequelle zu sein, da Wasserstoff im Universum im Überfluss vorhanden ist. Was die radioaktiven Abfälle angeht, so entstehen bei diesem Prozess zwar einige, aber sie haben eine Lebensdauer von etwa 100 Jahren, im Gegensatz zu den Tausenden von Jahren, die die Abfälle der Kernspaltung benötigen.

Was den Prozess selbst betrifft, so ist die Kernfusion schwer zu erreichen und daher auch schwer aufrechtzuerhalten, so dass sie nicht über einen langen Zeitraum hinweg funktioniert, sondern schneller ausbrennt als die Kernspaltung, falls etwas schief geht.

Ist die Kernfusion möglich?

Die Kernfusion ist möglich und hat bei Tests bereits erfolgreich eine Energieausbeute geliefert. Auch wenn die jüngste Energiemenge, die durch Kernfusion auf der Erde erzeugt wurde, noch relativ gering ist, stellt sie nach jahrzehntelanger Forschung einen guten Durchbruch dar.

Was sind die drei Voraussetzungen für die Kernfusion?

Die drei Bedingungen, die für die Kernfusion erforderlich sind, sind Hitze, Nähe und Druck. Die hohe Hitze (mindestens 100 Millionen Grad Celsius) ermöglicht es den Ionen, die Coulomb-Barriere zu überwinden und miteinander zu verschmelzen, die Nähe der Ionen zueinander ermöglicht die Verschmelzung, und der Druck hält die Ionen zusammen und verhindert die Abkühlung des Plasmas.

Was ist das Grundkonzept der Kernfusion?

Das Grundkonzept der Kernfusion besteht darin, dass sich zwei leichte Atomkerne zu einem einzigen schwereren Kern zusammenschließen. Dabei werden große Mengen an Energie erzeugt und manchmal auch andere Stoffe freigesetzt, ähnlich wie bei der Wasserstofffusion, bei der Helium freigesetzt wird.

Sind Kernfusionsreaktoren sicher?

Die Technologien und physikalischen Grundlagen von Kernfusionsreaktoren machen sie sicher. Während es bei Kernspaltungsanlagen zu Kernschmelzen oder Durchbruchsreaktionen kommen kann, ist dies bei der Fusion nicht möglich, zumal für den Prozess nur eine geringe Menge an Brennstoff benötigt wird (weniger als vier Gramm zu einem bestimmten Zeitpunkt).

Ist die Kernfusion erneuerbar?

Die Kernfusion hat das Potenzial, erneuerbare Energie zu liefern. Die größte Herausforderung ist die für den Fusionsprozess erforderliche Energie, aber wenn diese aus erneuerbaren Quellen stammt, hat die Fusionsenergie das Potenzial, nahezu unbegrenzt erneuerbare Energie zu liefern.

Kann die Kernfusion kontrolliert werden?

Die Forschung zeigt, dass die Fusion kontrolliert werden kann, aber angesichts der Schwierigkeit, eine Kernfusion zu erreichen, besteht das Problem weniger in der Kontrolle als in der Aufrechterhaltung der Fusion.

Kann die Kernfusion zur Stromerzeugung genutzt werden?

Ja, die Kernfusion kann zur Stromerzeugung genutzt werden. Wir sind jedoch noch nicht so weit, dass die Technologie so weit fortgeschritten ist, dass große Mengen an Strom erzeugt werden können, die eine rentable Ressource darstellen. Die Herausforderungen, mehr Energie zu erzeugen als verbraucht wird und die Kernfusion in großem Maßstab zu realisieren, werden weltweit untersucht.

Kann die Kernfusion gefährlich sein?

Die Kernfusion ist von Natur aus umweltfreundlich, da sie keine schädlichen Treibhausgase freisetzt und keinen langlebigen, hochaktiven Atommüll erzeugt. Es besteht keine Gefahr einer Reaktorschmelze oder einer Durchlaufreaktion, was bedeutet, dass die Kernfusion sicherer ist als die Kernspaltung.

Kann die Kernfusion fossile Brennstoffe ersetzen?

Die Kernfusion hat das Potenzial, fossile Brennstoffe zu ersetzen, sobald sie als Energieressource voll entwickelt ist. Wahrscheinlicher ist jedoch, dass die Kernfusion nur ein Teil eines sauberen Energiemixes neben anderen Methoden wie Wind- und Sonnenenergie sein wird.

Gibt es Kernfusionsreaktoren?

Derzeit gibt es nur Pilot- und Versuchsreaktoren für die Kernfusion, aber der erste betriebsbereite, kommerzielle Kernfusionsreaktor soll bis 2050 in Betrieb genommen werden.

Wurde die Kernfusion jemals erreicht?

Die Kernfusion wurde erstmals in den 1930er Jahren in Laborexperimenten erreicht und seitdem in Pilot-Kernfusionsanlagen demonstriert, aber es ist uns noch nicht gelungen, die erzeugte Energie zur Erzeugung großer Mengen Strom zu nutzen.

Wo wird die Kernfusion genutzt?

Die Kernfusion kommt auf natürliche Weise in Sternen wie der Sonne vor, wo Wasserstoffkerne verschmelzen und Helium erzeugen, wobei die Energie freigesetzt wird, die die Erde beleuchtet und erwärmt. Die Kernfusion wurde auch in Kernwaffen eingesetzt, aber die Forschung zur Nutzung der Fusionsenergie für die Stromerzeugung ist noch nicht abgeschlossen.

Wird die Kernfusion die Energiekrise lösen?

Die Kernfusion hat das Potenzial, Energie ohne Treibhausgase und mit minimalen nuklearen Abfällen zu erzeugen, wodurch eine Ressource geschaffen wird, die große Mengen an Energie liefert, ohne zur globalen Erwärmung beizutragen. Außerdem sind die für die Kernfusion verwendeten Brennstoffe relativ leicht zu beschaffen und praktisch unerschöpflich.

Die Nutzung der Kernfusion als brauchbare Energiequelle ist jedoch noch einige Jahre entfernt...

Wann wird die Kernfusion verfügbar sein?

Die meisten Schätzungen gehen davon aus, dass das erste Kernfusionskraftwerk im Jahr 2050 betriebsbereit sein wird. Andere behaupten jedoch, dass die Kernfusion schon viel früher zur Verfügung stehen wird, wobei einige – hauptsächlich privat finanzierte - Unternehmen behaupten, dass die Reaktoren Anfang der 2030er Jahre kommerziell genutzt werden könnten.

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