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Kernfusion und Fusionsanlagen > Allgemeines zur Kernfusion

Nur noch zwanzig Jahre ...

Coronal mass ejection erupts on the Sun, 31 August 2012

Kernfusions-Profi seit Jahrmilliarden:
unsere Sonne

Kernfusion findet seit Milliarden von Jahren im Inneren der meisten Sterne statt. Dort werden Wasserstoffatome, die sich im Zustand heißen Plasmas befinden, in Heliumatome verschmolzen, wobei Strahlungsenergie erzeugt wird. Diese natürliche Kernfusion versuchen Wissenschaftler auf der Erde mit großem Aufwand nachzuahmen.

Die theoretischen Grundlagen der Kernfusion entstanden etwa zur gleichen Zeit wie die der Kernspaltung. Nachdem es dem neuseeländischen Physiker Ernest Rutherford 1934 zum ersten Mal gelungen war, Wasserstoffkerne zu Heliumkernen zu verschmelzen, machte die theoretische Fusionsforschung zunächst im militärischen Bereich, ab 1951 auch im zivilen Bereich Fortschritte. Mitte der 1950er Jahren glaubte man, 20 Jahre später würden funktionsfähige Fusionskraftwerke zur Verfügung stehen. 1973, als die Kernfusion in der Öffentlichkeit fast in Vergessenheit geraten war, wurde immer noch vorhergesagt, sie könnte in 20 Jahren verwirklicht werden.[1][2]

Bis heute ist es nicht gelungen, mit Hilfe der Kernfusion in kommerziellem Maßstab Energie zu erzeugen.

Vorteile: Unerschöpflicher Brennstoff, keine Kettenreaktionen

Am besten eignen sich für die künstliche Kernfusion die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium. Ersteres steht auf der Erde reichlich zur Verfügung, letzteres kann aus dem ebenfalls reichlich vorhandenen Lithium erzeugt werden. Aus einem Gramm Brennstoff dieser Wasserstoffisotope könnten, so die Theorie, 90 000 Kilowattstunden Energie erzeugt werden. Fusionsprodukt ist nichtradioaktives Helium.[3]

Ein großer Vorteil im Vergleich zur Kernspaltung ist, dass bei der Kernfusion keine überkritischen Zustände mit unkontrollierbaren Kettenreaktionen zu befürchten sind. Darauf wies im November 2013 die Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) in ihrer Studie zur "Sicherheit von Kernfusionskraftwerken hinsichtlich nuklearer Stör- und Unfälle" hin. "Leistungsexkursionen [seien] durch positive Rückkopplungsmechanismen physikalisch unmöglich. Außerdem ist eine Rekritikalität durch eine Akkumulation von Brennstoff oder aktiviertem Material physikalisch ausgeschlossen." Bei einer Abschaltung komme der Fusionsprozess selbstständig zum Erliegen. Deswegen wird die Gefahr einer großflächigen Freisetzung von radioaktiven Stoffen als wesentlich geringer eingeschätzt als bei der Kernspaltung. Es seien bei der Sicherheit aber "fusionsspezifische Ereignisse und Phänomene" zu berücksichtigen, wie z. B. die große Menge an Energie, die für den Einschluss des Plasmas in Magnetsystemen gespeichert werden muss.[4]

Nachteile: Großer Aufwand, Radioaktivität, Proliferation

Andererseits muss ein gewaltiger Aufwand betrieben werden, will man die in Sternen herrschenden Bedingungen auf der Erde nachahmen. Der Brennstoff muss auf 100 Mio. Grad zu Plasma, einem dünnen ionisierten Gas, erhitzt werden, damit eine Fusion einsetzen kann. Um diese hohen Temperaturen halten zu können, "nutzt man magnetische Felder, die den Brennstoff wärmeisolierend einschließen und von den Gefäßwänden fernhalten."[5]

Fusionsanlage "Wendelstein 7-X" in Betrieb02:01

Fusionsanlage "Wendelstein 7-X" in Betrieb

(veröffentlicht in YouTube am 11. Dezember 2015)

Man unterscheidet zwei Haupttypen von Fusionsreaktoren: Tokamaks, wie z. B. den Joint European Torus (Großbritannien) (JET) oder den im Bau befindlichen ITER (Frankreich), und Stellaratoren, wie z. B. den Wendelstein 7-X (Deutschland), in dem seit 2015 Experimente stattfinden.

Tokamaks, Stellaratoren und weitere Konzepte

Ein weiterer Nachteil ist, dass auch Kernfusion nicht frei von Radioaktivität ist. So wird als Brennstoff Tritium verwendet, ein radioaktives Gas mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren,[3] welches zum Reaktor transportiert und dort gelagert werden muss. Des Weiteren werden Anlagenteile und andere Materialien einer intensiven Neutronenstrahlung ausgesetzt und daher radioaktiv. Auch wenn Schätzungen zufolge nur halb so viel Atommüll wie bei herkömmlichen Atomkraftwerken anfällt,[6] gibt es also auch hier einen Bedarf an Zwischen- und Endlagerung.

Als mögliche Risiken werden eine Freisetzung großer Mengen von Tritium bei Unfällen oder durch Fremdeinwirkung (Krieg, Terrorismus, Flugzeugabstürze) angesehen, die eine Evakuierung der Bevölkerung im Umkreis eines Fusionskraftwerks nach sich ziehen würde. Außerdem besteht wegen der Verwendung radioaktiven Tritiums, das auch für Atomwaffen brauchbar ist, oder einer möglichen Erbrütung spaltbarer Materialien in Reaktoren ein Proliferationsrisiko (Weitergabe von Atomwaffen).[2]

Pläne und Fortschritte

Trotz der Jahrzehnte langen Forschung sind nur langsame Fortschritte zu verzeichnen.

1997 ist es in der Anlage JET gelungen, kurzzeitig eine Fusionsleistung von 16 Megawatt zu erzeugen. Mehr als die Hälfte der zur Plasmaheizung verbrauchten Leistung wurde dabei per Fusion zurückgewonnen.[5]

Im Februar 2014 gelang es US-amerikanischen Physikern in einem Laborversuch mit einem kleinen Wasserstoffkügelchen, zum ersten Mal in der Geschichte bei einer Kernfusion einen geringen Energieüberschuss zu erzielen. 99 % der eingesetzten Energie gingen allerdings bereits vor dem Experiment verloren. Niemand weiß, wie die Bilanz verbessert werden kann, und einer wirklichen Energieerzeugung ist man damit kaum nähergekommen.[7]

Erfolgsmeldungen des US-Rüstungskonzern Lockheed Martin vom Oktober 2014, es sei im Geheimen ein revolutionärer Fusionsreaktor mit 100 Megawatt und einer Größe von nur 7 mal 13 Metern entwickelt worden, der in 10 Jahren marktreif wäre, stießen auf Zweifel bei Experten.[8]

Im August 2015 stellte das kanadische Unternehmen "General Fusion" eine neue Fusionsmethode vor. "Das 65-köpfige Team will mit einem Magnetfeld heißes Plasma aus Wasserstoff erzeugen, das von oben und unten in eine Stahlkugel injiziert wird. In dieser dreht sich ein Strudel aus heißem, geschmolzenen Metall, der das Plasma einschließt". Mittels Kolben und Schockwellen soll dann eine Fusion stattfinden. Ein Reaktor soll in zehn Jahren zur Verfügung stehen.[9]

Die Europäische Union hat sich mit dem Programm EUROfusion ehrgeizige Ziele gesetzt. Die Fertigstellung des im Bau befindlichen Anlage ITER im französischen Forschungszentrum Cadarache ist bis 2020, die komplette Nutzung seiner Leistungsfähigkeit von 2021 bis 2030 vorgesehen. Bis 2030 soll das Design des geplanten Demonstrationskraftwerks DEMO entwickelt werden, 2030 sind der Baubeginn und in den frühen 2040er Jahren die Inbetriebnahme geplant. Ab 2050 soll dann die kommerzielle Stromerzeugung mit Hilfe der Kernfusion starten.[10]

2016 wurden jedoch die Inbetriebnahme von ITER um fünf Jahre auf das Jahr 2025 und der Betriebsbeginn mit Deuterium und Tritium auf 2035 verschoben.[11] Infolgedessen werden sich wahrscheinlich auch Bau und Betrieb von DEMO um Jahre verschieben.

Weitere Links

→ IPP: Kernfusion - Stand & Perspektiven von 2015
→ IPP: Kernfusion - Berichte aus der Forschung von 2002

→ n-tv.de: Kernfusion die Alternative? vom 9. November 2011 (Interview)
→ Welt Online: Kernfusion lässt von endloser Energie träumen vom 17. November 2011
→ Spiegel Online: Kernfusion

→ Wikipedia: List of fusion experiments
→ WNA: Nuclear Fusion Power

(Letzte Änderung: 28.09.2017)

Einzelnachweise

  1. Joachim Radkau & Lothar Hahn: Aufstieg und Fall der deutschen Atomwirtschaft. oekom, München 2013. S. 53.
  2. 2,0 2,1 tab-beim-bundestag.de: Kernfusion Sachstandsbericht vom März 2002
  3. 3,0 3,1 IPP, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik: Was ist Kernfusion? abgerufen am 17. Dezember 2016
  4. BMUB: Untersuchung der Sicherheit von Kernfusionskraftwerken hinsichtlich nuklearer Stör- und Unfälle vom November 2013
  5. 5,0 5,1 IPP: Kernfusion - Stand und Perspektiven abgerufen am 17. Dezember 2016
  6. Welt Online: Der Traum von endloser Energie aus Kernfusion vom 1. Dezember 2012
  7. Welt Online: US-Forscher holen das Sonnenfeuer auf die Erde vom 12. Februar 2014
  8. Spiegel Online: Saubere Energie: US-Rüstungskonzern meldet Durchbruch bei Kernfusion vom 17. Oktober 2014
  9. n-tv.de: Energiequelle der Zukunft? Kanadier planen Kernfusion mit Dampfkraft vom 17. August 2015
  10. EUROFusion: Fusion Electricity - A roadmap to the realisation of fusion energy vom November 2012
  11. ITER: What is ITER? abgerufen am 14. Dezember 2016

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