Durchbruch bei Kernfusion: Das sind die Details

Aus den USA wurde in dieser Woche ein wissenschaftlicher Durchbruch bei der Kernfusion gemeldet. Steht der Menschheit bald eine unerschöpfliche Energiequelle zur Verfügung?

Das US-Energieministerium sprach von einem „Durchbruch“ bei der Kernfusion. Forscher der National Ignition Facility des kalifornischen Lawrence Livermore-Labors gelang es am 5. Dezember, eine kontrollierte Kernfusionsreaktion zu erzeugen. Das Besondere im Vergleich zu vorherigen Experimenten: Hier wurde mehr Energie erzeugt, als investiert wurde.

Kernfusionszündung mit Nettoenergiegewinn

Dieses Ziel wird bereits seit 2009 verfolgt. Ein Nettogewinn von Energie gilt als entscheidender Schritt auf dem Weg hin zur Umwandlung von Fusionsenergie in eine praktisch nutzbare Energiequelle. Wie die Forscher mitteilten, wurden zum Auslösen der Fusionsreaktion 2,05 MJ Energie benötigt. Erzeugt wurden 3,15 MJ Fusionsenergie.

Bei der Kernfusion verbinden sich zwei Atomkerne zu einem einzigen schweren Kern. Die Kernfusion funktioniert damit anders als heutige Kernkraftwerke, die Energie durch die Spaltung schwerer Atome erzeugen. Mit dem Fusionsprozess erzeugt die Sonne Energie. Auf der Erde müssen bestimmte Bedingungen hergestellt werden, um den Prozess zu kopieren.

Kernfusion könnte viele Vorteile bieten. Der für die Fusion benötigte Brennstoff ist in großen Mengen vorhanden und kann zum Teil etwa dem Meerwasser abgewonnen werden. Bei der Fusion werden auch keine radioaktiven Abfälle erzeugt. Zudem ist die Kernfusion emissionsfrei – als Nebenprodukt entsteht lediglich Helium.

Auch operative Risiken wie etwa eine Kernschmelze gibt es bei der Kernfusion nicht, da diese Prozesse nicht auf einer Kettenreaktion basieren. Kommt es bei einer Fusionsreaktion zu irgendeiner Art von Störung, kühlt das Plasma ab, wodurch der Prozess automatisch gestoppt wird.

Die Forscher in Kalifornien verwendeten – wie auch viele andere mit der Kernfusion beschäftigte Unternehmen – Laserstrahlen, um die Zündung zu erreichen.

So hat die Kernfusion funktioniert

Am Dienstagabend deutscher Zeit teilte das Energieministerium Details zum Ablauf des Experiments mit. Demnach befand sich im Innern eines goldenen Zylinders eine pfefferkorngroße Kapsel mit dem benötigten Brennstoff – den beiden Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium.

Der goldene Zylinder wurde mit Laserstrahlen bestrahlt. Die Strahlen trafen auf die Innenwände des Zylinders und erzeugten dadurch Röntgenstrahlen. Diese Röntgenstrahlen wiederum erzeugten eine Implosion, die die Kapsel mit dem Brennstoff überhitzte und zusammenpresste.

Dadurch entstand im Innern der Kapsel eine extrem hohe Temperatur bei gleichzeitig extrem hohem Druck – das sind die Bedingungen, die für eine Fusionsreaktion notwendig sind. Unter diesen Bedingungen konnten sich die Wasserstoffatome zu Helium verbinden und dabei Energie freisetzen.

Noch viele Probleme zu lösen

Der wissenschaftliche Durchbruch bedeutet allerdings nicht, dass Kernfusion kurz vor der praktischen Nutzung steht. Bis dahin sind noch viele Probleme zu lösen. Wissenschaftler rechnen damit, dass es noch Jahre oder gar Jahrzehnte dauern könnte, bis die ersten Demonstrationskraftwerke zur Verfügung stehen. Spötter führen hier stets gerne an, die Kernfusion sei stets noch 50 Jahre entfernt – und zwar seit den 1950er Jahren.

Das Wall Street Journal etwa zitiert Gianluca Sarri, Physikprofessor an der Queen’s University Belfast, der selbst nicht an dem Experiment beteiligt war. Dieser nennt etwa die Ineffizienz der Laser als Problem. Zwar wurde in der Kapsel mehr Energie erzeugt als zeitgleich durch die Laserstrahlen aufgewendet wurde. Die derzeitige Versuchsanlage benötigt jedoch hunderte Megajoule Strom, um das Laserlicht überhaupt zu erzeugen.

An Kernfusion wird schon lange geforscht. So bauen zahlreiche Staaten seit 2007 am Versuchsreaktor ITER in Südfrankreich. Der entstehenden Reaktor basiert auf dem Tokamak-Prinzip und könnte inden 2030er Jahren einen Nettogewinn demonstrieren.

Das Max-Planck-Institut betreibt mit Wendelstein 7x eine eigene experimentelle Anlage zur Erforschung der Kernfusion in Greifswald. Hier wird eine andere Technik – der sogenannte Stellarator– erprobt. Dieser soll ein Magnetfeld erzeugen und darin heißes Plasma einschließen.

Die extremen Temperaturen, die für die Kernfusion notwendig sind, stellen eines der größten technischen Probleme dar. Erstens ist es schwierig, die Temperaturen überhaupt zu erzeugen. Zweitens müssen zur Stromproduktion geeignete Anlagen dazu in der Lage sein, mit der Temperatur im laufenden Betrieb umzugehen.

Neben mehr oder weniger staatlichen Institutionen forschen auch viele Privatunternehmen und Startups an der Kernfusion.