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Kernfusion

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Definition: ein nuklearer Prozess, bei dem zwei Atomkerne miteinander verschmolzen werden

Englisch: nuclear fusion

Kategorien: Grundbegriffe, Kernenergie, physikalische Grundlagen

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 10.07.2011; letzte Änderung: 04.03.2017

Die Kernfusion ist gewissermaßen das Gegenteil von Kernspaltung: Hier werden zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren verschmolzen. Beispielsweise führt die Fusion eines Deuteriums- und eines Tritiumkerns zur Bildung eines Helium-Kerns und zur Abstrahlung eines energiereichen Neutrons: 2H + 3H → 4He + n. (Deuterium = 2H und Tritium = 3H sind schwere Isotope des Wasserstoffs.)

Bei der Fusion wird sehr viel Energie freigesetzt; der Heliumkern und insbesondere das Neutron erhält im oben genannten Prozess eine hohe Bewegungsenergie, die bei der Abbremsung in der Umgebung als Wärme verfügbar wird. Im Vergleich zur Kernspaltung ist die freigesetzte Energie pro Prozess zwar geringer, pro Gewichtseinheit des eingesetzten Kernbrennstoffs jedoch sogar noch wesentlich höher. Deswegen und weil Deuterium und Tritium in großen Mengen gewonnen bzw. hergestellt werden könnten, wäre die technische Nutzung der Kernfusion im Prinzip geeignet, der Menschheit riesige Energiemengen zur Verfügung zu stellen. Allerdings ist es bisher nur gelungen, die Kernfusionsenergie in Kernwaffen, sogenannten Wasserstoffbomben, in großem Umfang freizusetzen; solche Bomben sind diejenigen mit bei Weitem höchstem Zerstörungspotenzial – noch weit höher als das der Hiroshima-Atombombe. Die technische Nutzung zur Energiegewinnung in einem Kernfusionsreaktor ist extrem schwierig und könnte, wenn überhaupt, höchstens in einigen Jahrzehnten beginnen (siehe unten). Dagegen nutzen wir heute schon die in der Sonne stattfindende Kernfusion als Sonnenenergie; die Strahlungsenergie der Sonne entstammt der Kernfusion, die im Sonneninneren stattfindet.

Wichtige physikalische Umstände

Da Atomkerne elektrisch geladen sind und sich deswegen mit abnehmendem Abstand immer mehr gegenseitig abstoßen, kann eine Kernfusion grundsätzlich nur erfolgen, wenn die Atomkerne mit extrem hoher Energie aufeinander prallen. Im Sonneninneren läuft dieser Prozess trotz der enorm hohen Temperatur von mehreren Millionen Grad Celsius und des sehr hohen Drucks recht langsam ab, also mit geringer Leistungsdichte, führt jedoch wegen des riesigen Volumens insgesamt trotzdem zu einer sehr hohen erzeugten Leistung. Wenn die Kernfusion in einem Fusionsreaktor auf nützliche Weise ablaufen soll, also mit sehr hoher Leistungsdichte in einem recht kleinen Volumen, so werden dort sehr viel höhere Temperaturen benötigt, zumal die realisierbare Dichte des Plasmas dort viel niedriger ist; voraussichtlich sind über 100 Millionen Grad Celsius nötig. Mit verschiedenen Methoden ist es zwar bereits möglich, solche Bedingungen zu schaffen, jedoch nur für kurze Zeit. Für eine großtechnische Nutzung wäre es nötig, für längere Zeit einen Kernfusionsprozess zu unterhalten, bei dem das Plasma nach anfänglichem Aufheizen mit Energie von außen durch die Kernfusion selbst seine Temperatur halten kann, und zwar ohne wesentlich an Dichte zu verlieren. Hierfür muss das Plasma geeignet eingeschlossen bleiben – selbstredend nicht mit festen Materialien, die solch extreme Temperaturen niemals aushalten könnten, sondern mit starken Magnetfeldern, was aber sehr kompliziert ist. Eine andere Möglichkeit wäre der Trägheitseinschluss für kurze Zeit, wenn die Reaktionsrate so hoch gemacht werden kann, dass in kürzester Zeit ein wesentlicher Teil eines Brennstoffteilchens umgesetzt wird.

Die Fusion von Deuterium und Tritium gilt als noch am ehesten technisch realisierbar. Die daraus freigesetzte Energie ist zum größten Teil in den abgestrahlten Neutronen enthalten, also in einer extrem “harten” (energiereichen) Neutronenstrahlung. Diese Neutronenstrahlung müsste also in einer Vorrichtung absorbiert werden, welche einerseits der Strahlung für nützliche Zeit standhalten kann und andererseits die entstandene Wärmeenergie in nutzbarer Form liefert. Zusätzlich wäre dort wohl noch das Erbrüten von Tritium aus Lithium (siehe unten) nötig.

Anders als bei der Kernspaltung ist das durch die Kernfusion entstandene Helium nicht radioaktiv. Trotzdem entsteht nicht nur während des Fusionsprozess eine sehr intensive Strahlung, sondern auch eine länger bestehende Radioaktivität durch die intensive Neutronenbestrahlung von Materialien des Reaktors. Durch geeignete Wahl von Materialien hofft man diese Radioaktivität jedoch stark begrenzen zu können, so dass das durch die Nutzung von Kernfusionsenergie entstehende Atommüllproblem immerhin sehr klein wäre im Vergleich zu dem aus der bisher genutzten Kernspaltung.

Kernbrennstoffe für die Kernfusion mit Deuterium und Tritium

Wie oben erwähnt, gilt die Fusion von Deuterium und Tritium als noch am ehesten technisch realisierbar. Deuterium kann in unbegrenzten Mengen und mit gut tragbarem Aufwand aus Meerwasser gewonnen werden. Tritium kommt in der Natur praktisch nicht vor, da es radioaktiv ist, und zwar mit einer relativ kurzen Halbwertszeit. Tritium müsste deswegen aus dem Metall Lithium durch Neutronenbestrahlung “erbrütet” werden. Die Vorräte an Lithium sind nicht unbegrenzt, wären jedoch für die Kernfusionsnutzung auch in großem Umfang durchaus ausreichend. Dies liegt an der extrem hohen Ergiebigkeit: Bereits 1 kg Deuterium-Tritium-Gemisch sollte ausreichen für Dutzende von Millionen Kilowattstunden elektrischer Energie.

Im Prinzip ist auch eine Deuterium-Deuterium-Reaktion möglich, für die also kein Tritium benötigt würde. Hier ist es aber noch schwieriger, die Fusion zu starten und über längere Zeit zu erhalten, da die benötigten Temperaturen nochmals massiv höher sind.

Fusionsprozess mit Deuterium und Helium-3 – eine mögliche Alternative?

Erwogen wird auch der Fusionsprozess mit Deuterium und Helium-3. Interessant ist hier unter anderem, dass die Ausgangsstoffe hier nicht radioaktiv sind, die Fusionsprodukte ebenfalls nicht, und dass der Großteil der Energie in Form schneller Protonen frei wird. Im Gegensatz zu Neutronen sind diese elektrisch geladen, und dies würde eine elegante Möglichkeit eröffnen, direkt elektrische Energie ohne den Umweg über eine Wärmekraftmaschine zu erzeugen. Die schnellen Protonen würden dabei gegen ein starkes elektrisches Feld laufen, welches sie abbremst.

Im Vergleich zur Deuterium-Tritium-Reaktion lässt sich die Fusion mit Deuterium und Helium-3 noch schwerer starten, da die Abstoßung mit dem doppelt geladenen Helium-Kern doppelt so stark ist. Wenn es gelingt, würden übrigens parallel auch Fusionsprozesse von Deuterium mit sich selbst ablaufen, wobei Tritium entstehen würde. Dieses würde dann weitere Fusionsreaktionen verursachen, bei denen auch Neutronen freigesetzt würden – außer wenn das Tritium ständig aus dem Plasma entfernt würde.

Von daher wäre es noch “sauberer”, die Fusion von Helium-3 mit sich selbst zu betreiben, da hierbei nur Helium-4 und schnelle Protonen entstehen. Dieser Prozess ist aber noch schwerer zu starten.

Das Hauptproblem bei diesen Ansätzen ist aber, dass das benötigte Helium-3 auf der Erde nur in extrem geringen Konzentrationen auftritt, deswegen nur in sehr kleinen Mengen verfügbar ist (z. Zt. rund 8 kg pro Jahr weltweit!) und zu einem enorm hohen Preis. Es gibt Ideen, Helium-3 aus Mondstaub zu gewinnen, der durch die Einwirkung des Sonnenwinds wesentlich höhere Konzentrationen davon aufweist. Allerdings dürften die Kosten für eine solche Rohstoffgewinnung ebenfalls extrem hoch liegen. Trotzdem verfolgt insbesondere die indische Weltraumorganisation (ISRO) Pläne, Helium-3 mit Raumfahrzeugen auf dem Mond zu gewinnen und zur Erde zurückzubringen.

Vor- und Nachteile der Nutzung von Kernfusion für die Energiegewinnung

Falls die großtechnische Nutzung der Kernfusion für die Energiegewinnung realisierbar würde, ergäben sich daraus folgende wichtige Vorteile:

Den großen Vorteilen der Kernfusion steht aber vor allem ein enormes Problem entgegen: Die technische Realisierung hat sich als extrem schwierig erwiesen. Zwar konnten mit riesigem finanziellem Aufwand einige Versuchsanlagen gebaut werden, in denen eine Deuterium-Tritium-Fusion für kurze Zeiten erzielt werden konnte. Jedoch ist immer noch ein sehr weiter Weg zu gehen bis zum kontinuierlichen Betrieb mit Nutzung der erzeugten Strahlungsenergie.

In diesem Zusammenhang stellt sich nicht nur die Frage der rein technischen Machbarkeit, die selbst nach Jahrzehnten intensiver Forschung mit riesigem Aufwand nicht abschließend beantwortet ist. Wohl noch schwieriger wäre es, Kernfusionsreaktoren auch auf wirtschaftlich tragbare Weise zu betreiben. Auch wenn lange noch nicht klar ist, wie genau ein Kernfusionsreaktor aussehen könnte, ist längst sicher, dass er weitaus komplexer und damit teurer als ein herkömmlicher Kernspaltungsreaktor wäre. (Ein einfacher kleiner Kernspaltungsreaktor lässt sich schon auf einem Labortisch kontinuierlich betreiben, ohne milliardenteuren Aufwand.) Da nun aber die Kosten der Kernenergie aus Kernspaltung bereits erheblich sind und diese Kosten zum größten Teil durch den Bau der Anlagen entstehen, erscheint es unausweichlich, dass Energie aus Kernfusion weitaus teurer wäre. Befürworter der Kernfusion behaupten zwar das Gegenteil und geben teils sogar recht moderate angeblich mögliche Kosten für Strom aus Kernfusion an, können aber das oben genannte einfache Argument nicht entkräften.

Somit hätte die Kernfusion keine Chance zur Konkurrenzfähigkeit beispielsweise mit erneuerbaren Energien. Dies könnte sich nur dann ändern, wenn die Kernfusion mit völlig neuen und weitaus einfacheren Methoden realisiert werden könnte – etwa als “kalte Fusion”, wie sich 1989 von Pons und Fleischmann vorgeschlagen und angeblich realisiert wurde. Jedoch ist die überwiegende Zahl der Fachleute der Überzeugung, dass dieser Ansatz nicht funktionieren kann, die damaligen Berichte als nicht korrekt waren.

Das Fazit muss somit sein, dass die Kernfusion im Prinzip eine Energiequelle mit einigen sehr attraktiven Vorteilen sein könnte, aber auf absehbare Zeit nicht realisierbar ist – zumindest nicht auf wirtschaftlich tragbare Weise. Daraus ergibt sich die Frage, wie es zu rechtfertigen ist, weltweit Milliarden in die Entwicklung der Kernfusionsenergie zu investieren, die dann für erneuerbare Energien und Energieeffizienz fehlen. (Die jährlichen Ausgaben etwa der EU für Fusionsforschung sind vergleichbar mit der Summe der jährlichen Ausgaben für alle nicht-nukleare Energieforschung – selbst ohne das aktuelle ITER-Projekt.) Der Klimaschutz ist hierfür ein untaugliches Argument, da ein nennenswerter Beitrag der Kernfusion zum Klimaschutz mit Sicherheit mehr als 50 Jahre bräuchte und somit viel zu spät käme.

Versuchsreaktor ITER

Seit 2007 ist beim südfranzösischen Kernforschungszentrum Cadarache ein Kernfusions-Versuchsreaktor im Bau, der als ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) bezeichnet wird. Damit soll festgestellt werden, ob mit dem Tokamak-Design eine lange Brenndauer des Plasmas von bis zu einer Stunde erreichbar sind, wobei das Plasma mehr Strahlungsenergie freisetzen würde, als für die Einbringung der Heizleistung aufgewandt werden muss. Die Umwandlung dieser Strahlungsenergie in nutzbare elektrische Energie ist hierbei nicht vorgesehen; dies wäre erst eine Aufgabe für ein späteres Projekt.

Die Baukosten wurden ursprünglich auf knapp 5 Milliarden Euro geschätzt; für den Betrieb wurde eine nochmals ähnliche Summe vorgesehen. Der Bau hätte nach ursprünglichem Plan bis 2016 beendet werden sollen, jedoch kam es zu massiven Verzögerungen, sodass die Inbetriebnahme wohl nicht vor 2025 stattfinden kann. Gleichzeitig sind die Kosten enorm angewachsen; sie werden wohl mindestens das dreifache des vorgesehenen Betrags sein, vielleicht sogar noch wesentlich mehr. Anscheinend sind massive Probleme im Bereich des Managements zumindest zum Teil für diese Entwicklung verantwortlich. Hier wurde inzwischen viel geändert, aber dies könnte höchstens noch weitere Verzögerungen und Kostensteigerungen verhindern oder vermindern.

Für einen Erfolg des Projekts müsste die Betriebsphase (für die etwa 20 Jahre vorgesehen sind) erfolgreich verlaufen, also den Weg für den nächsten Versuchsreaktor ebnen. Dieser müsste dann wiederum entworfen, geplant, gebaut und in Betrieb genommen werden, bis schließlich der erste Fusionsreaktor entsteht, der tatsächlich elektrische Energie erzeugt. Danach müssten schließlich die Kosten soweit gedrückt werden, dass ein wirtschaftlicher Betrieb – wohl die Voraussetzung für eine breite Anwendung – möglich würde. Sollte dies jemals gelingen – was derzeit in der Tat sehr unwahrscheinlich ist –, wäre dies frühestens gegen Ende des 21. Jahrhunderts, als auch weitaus zu spät, um das Klimaproblem damit zu bekämpfen.

Siehe auch: Kernspaltung, Kernenergie
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, Kernenergie, physikalische Grundlagen

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