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Wednesday, February 1, 2023

Kernfusion – der große Durchbruch?

kernfusion - der große durchbruch? 1

In unserer neuesten Radiorebell-Episode sprechen wir über das aktuell viel diskutierte Experiment zur Kernfusion, ob es sich um einen „Durchbruch“ handelt, wie Kernfusion funktioniert, bzw. nicht funktioniert, über unseriöse Prognosen, Deuterium und Tritium und über die Probleme, die dem Fusionskraftwerk noch im Weg stehen. Es sind eine Menge…

Was ist Kernfusion? (Vorsicht: stark vereinfacht!)

Unter Kernfusion versteht man – wenig überraschend – die Fusion von Kernen.

Atome bestehen nach dem Kern-Hülle-Modell aus einem Kern aus Protonen und Neutronen und einer Hülle aus Elektronen. Bei hohen Temperaturen verlieren sie die Hülle und die Elektronen werden frei, man nennt die Atome dann ionisiert und das Gemisch aus den Kernen und den nun frei herumschwirrenden Elektronen Plasma.

Es gibt schwerere und leichtere Atomkerne, je nachdem wie viele Protonen und Neutronen sie enthalten. Einige schwere Atomkerne zerfallen mit der Zeit von ganz alleine zu leichteren Atomkernen und geben dabei Wärme ab. Das nennt sich Kernspaltung und wird bereits zur Stromerzeugung genutzt.

Umgekehrt verschmelzen leichte Atomkerne aber nicht von ganz alleine zu schweren Atomkernen. Das Problem: Atomkerne sind positiv geladen. Beide. Und gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Diese abstoßende Kraft, die sogenannte Coulomb-Barriere, muss überwunden werden, um die Kerne zu fusionieren. Doch von woher kommt die Energie?

Gelingt das, dann ist das Produkt, also der neue, schwere Kern, ein ganz kleines bisschen weniger massereich als die leichteren Kerne zusammen, es liegt also eine kleine Differenz vor, der sogenannte Massendefekt. Laut Einsteins Relativitätstheorie sind Masse und Energie beliebig austauschbar – der Massendefekt wird bei der Kernfusion also in Form von Energie frei.

Die Kernfusion ist unfassbar ertragreich und schöpft die Energie sehr effizient aus: Der Brennwert eines einzigen Kilogramms Wasserstoff entspricht dabei ungefähr jenem von 11.000 Tonnen Kohle!

Wo findet Kernfusion statt?

Genau das ist das Prinzip, mit dem Sterne – auch unsere Sonne – ihre Energie umsetzen. Sie sind riesige nukleare Brennöfen. Die Sonne fusioniert als mittelgroßer Stern hauptsächlich mit der sogenannten Proton-Proton-Kette, einem speziellen Prozess, in dem vier Wasserstoffkerne über mehrere Zwischenstufen zu einem Heliumkern fusioniert werden. Der dabei anfallende Massendefekt von 0,7% ist das, was wir als Licht und Wärme von der Sonne empfangen.

Nun war im Zuge des nun erfolgten Fusionsexperiments wiederholt davon die Rede, „die Sonne auf die Erde zu holen“, also das Prinzip der Sonne auf der Erde zu kopieren.

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Abgesehen davon, dass bei der Kernfusion keine Energie erzeugt, sondern umgewandelt wird, ist die Kernfusion in irdischen Fusionsreaktoren wie dem ITER absolut nicht vergleichbar mit jener im Innern der Sonne – und die Fusion, die den amerikanischen Forscher*innen nun gelungen ist, noch viel, viel weniger!

Im Innern der Sonne fusionieren die Kerne in erster Linie durch den enormen Druck, der Sonnenkugel, der sie im Mittelpunkt der Sonne zusammendrückt. Es ist aber unmöglich, diesen Druck technologisch zu erzeugen. Kernfusionsreaktoren wie der ITER müssen das über die Temperatur kompensieren, müssen also noch heißer werden als das Innere der Sonne, um ebenfalls Kerne fusionieren zu können – etwa 100 Millionen Grad Celsius, im Vergleich zu 15 Millionen Grad Celsius im Inneren der Sonne.

Auch die Proton-Proton-Kette ist absolut nicht praktikabel für künstliche Kernfusion, denn sie ist extrem, extrem ineffizient, da die Reaktionsrate extrem gering ist – nur sehr selten sind Stöße also energiereich genug, um die Coulomb-Barriere zu überwinden und eine Fusion in Gang zu setzen. So ein typischer Wasserstoffkern irrt Milliarden von Jahre durch die Sonne, bevor er eine Fusionsreaktion eingeht.

Die Sonne kann sich eine solch geringe Reaktionsrate leisten, denn sie ist so groß, dass trotzdem irgendwo ständig etwas fusioniert, doch auf der Erde wäre das kein großes Spektakel – es würde einfach nichts passieren. Wir holen also nicht einfach die Sonne auf die Erde.

Wie funktioniert ein Kernfusionsreaktor?

Wenn er also nicht wie die Sonne arbeitet, wie funktioniert ein Kernfusionsreaktor denn dann?

Gar nicht.

Zumindest noch nicht. Aber prinzipiell haben wir zwei große Ideen, wie er funktionieren könnte. Um das Plasma extrem stark zu komprimieren, nutzen wir Magnete. In der Schule lernt man, dass Mangetfelder einer Kraft auf geladene Teilchen (unsere Ionen) ausüben, die Lorentzkraft. Durch diese kann das Plasma eingeschlossen werden, ohne in Kontakt mit den Wänden des Gefäßes zu kommen – denn dabei würde es auskühlen und dann wäre es kein Plasma mehr.

Nun stellt uns die Physik aber ein Problem in den Weg: Schon die Theorie zeigte, dass ein torusförmiges Magnetfeld, also in der Form eines Donuts, das Plasma aus speziellen Formen des Wasserstoffs (die sogenannten Wasserstoff-Isotope, Deuterium und Tritium) nicht vollständig einschließen kann, die Teilchen werden zwangsläufig heraus gedrängt. Um dies zu lösen, muss das Magnetfeld auf eine spezielle Weise verdrillt werden.

Eine Option ist es, im Plasma selbst einen elektrischen Strom zu erzeugen. Ein Strom besteht aus bewegten Ladungen, bewegte Ladungen erzeugen Magnetfelder und das von diesem Strom erzeugte Magnetfeld überlagert sich mit dem Donut-Magnetfeld der Spulen am Rand des Reaktors. So wird die gewünschte Verdrillung erreicht. Diesen Typ von Reaktoren nennt man Tokamak.

Die zweite Möglichkeit, der Stellarator, schließt das Plasma vollständig ein, indem die Spulen nicht so angeordnet werden, dass ein Donut-Magnetfeld entsteht, sondern in einer komplexen und chaotisch aussehenden Geometrie.

Beide Typen haben ihre Vor- und Nachteile: Während der Tokamak durch den elektrischen Strom, der im Plasma verlaufen muss, nicht dauerhaft, sondern nur in Pulsen betrieben werden kann, benötigt der Stellarator aufgrund der komplexen Spulenanordnung eine weit aufwendigere Wartung.

Was ist den US-Forscher*innen gelungen?

Das ist aber ausdrücklich nicht das, was den Forscher*innen der National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien nun gelungen ist. Sie haben einen ganz anderen Ansatz für die Kernfusion verfolgt, weder Tokamak, noch Stellarator. Es geht um die sogenannte Laserfusion.

Das Grundprinzip dabei: Wir nehmen einen extrem starken Laser, feuern ihn auf ein kleines Pellet aus Wasserstoff in einem Hohlraum und verwandeln es damit innerhalb von Sekundenbruchteilen in Plasma. In diesem Plasma laufen dann Fusionsreaktionen ab.

kernfusion, hohlraum
Eine der winzigen Kapseln mit Kernbrennstoff, die am NIF verwendet werden

Wie auch im Fall der Fusionsreaktoren muss hier erst durch den Laser sehr viel Energie reingesteckt werden, um dann später Energie zu erhalten. Doch um Kernfusion im Sinne der Stromgewinnung einzusetzen, müssen wir aus der Fusion natürlich mehr Energie erhalten, als wir reinstecken – also eine positive Energiebilanz erhalten, netto Energie umsetzen. Und zudem muss das Plasma durch diese Reaktion so heiß bleiben, dass zumindest für eine gewisse Zeit weitere Fusionsreaktionen ablaufen können, der Prozess sich also selbst erhält, ohne dass ständig neue Energie zugeführt werden muss.

Ist uns das gelungen?

Jein.

Laut Angaben der NIF wurde eine Energie von ungefähr zwei Megajoule zugeführt, um anschließend drei Megajoule zu erhalten – also ein Überschuss von 50%. Das klingt sensationell, wenn wir Fusionsreaktionen derart effizient ablaufen lassen können, was steht dann der Nutzung zur Stromerzeugung überhaupt noch im Weg?

Vieles.

Ein genauer Blick auf die Energiebilanz

Die zwei Megajoule entsprechen dem direkten Input, also der Energie, die dem kleinen Pellet aus Wasserstoff zugeführt wird. Doch der betriebene Laser hat natürlich keinen Wirkungsgrad von 100%, nicht die volle Energie, mit der er betrieben wird, erreicht also auch das Pellet. So waren etwa 300 Megajoule nötig, um die Laseranlagen zu betreiben. Die Energiebilanz sieht dann plötzlich nicht mehr ganz so vorteilhaft aus.

Doch das größte Problem ist ein anderes: Die Skalierbarkeit. Ein Megajoule, das ist nicht viel, es reicht für etwa 20 Minuten Haare föhnen. Und es ist fraglich, inwiefern sich das Konzept einfach so auf größere Maßstäbe übertragen lässt.

Der Weg der Laserfusion ist keinesfalls weniger faszinierend, aber es ist dennoch wichtig ihn von den Reaktoren des Typs Tokamak oder Stellarator zu unterscheiden: Tokamak-Reaktoren wie der ITER oder auch Wendelstein 7-X, der weltweit größte Stellarator in Greifswald, sind bereits im Maßstab eines Kraftwerks konzipiert.

Wenn Fusionsreaktionen hier gewinnbringend abliefen, wäre es noch einmal etwas völlig anderes als das, was nun passiert ist, denn in diesem Fall hätten wir zumindest eine grobe Idee, wie sich Kraftwerke damit betreiben ließen. Doch ob sich das Prinzip der Laserfusion überhaupt im Maßstab eines Kraftwerks realisieren lässt, ist auch durch den heutigen Fortschritt keinesfalls geklärt. Und an den großen Reaktoren gelingen bisher keine selbsterhaltenden und gewinnbringenden Fusionsreaktionen.

Profitable Kernfusion bis 2030?

Genau deshalb sind jegliche Prognosen bezüglich profitabler Stromerzeugung durch Kernfusion in den nächsten Jahren absolut unseriös.

„Ich sage 10 Jahre, es kann auch etwas länger dauern, aber wir müssen uns die Ambitionen ja setzen.“

Bundesforschungsministerin Stark-Watzinger (FDP) auf die Frage, wann das erste deutsche Fusionskraftwerk ans Netz gehen wird (Quelle)

NEIN. Definitiv nicht.

Ich möchte nur mal einige Hürden nennen, die noch vor den Forscher*innen liegen und uns einen Strich durch die Rechnung machen könnten:

  • Der Wirkungsgrad muss noch deutlich höher werden, denn auch wenn das Pellet nun mehr Energie abgibt als der Laser ihm zuführt, berücksichtigt das nicht, dass bereits der Laser selbst dem Pellet nicht die gesamte Energie zuführt, mit der er betrieben wird.
  • Die Wasserstoff-Pellets müssten dauerhaft in engen Abständen hintereinander in die Anlage gelangen und mit dem Laser getroffen werden, um sinnvoll Energie umsetzen zu können. Das ist technologisch viel anspruchsvoller als diesen Prozess ein einziges Mal ablaufen zu lassen.
  • Die als Wärme umgesetzte Energie muss nutzbar, mit möglichst geringen Verlusten, aus der Anlage abgeführt werden, um als elektrische Energie ins Stromnetz eingespeist werden zu können.

Der Teufel steckt in den physikalischen Details!

Ich bin zuversichtlich, dass diese Probleme gelöst werden können, denn in den letzten Jahren gab es wichtige Fortschritte in der Fusionsforschung, sodass die verbleibenden Hürden jetzt zum Großteil technischer und nicht mehr grundlegender physikalischer Natur sind. Doch selbst wenn diese Probleme lösbar sind, wird ihre Lösung noch Jahrzehnte dauern, bis weit in die zweite Jahrhunderthälfte hinein.

Umweltfreundliche Kernfusion als Klimaretter?

Alleine durch diese Faktenlage scheidet Kernfusion als Lösung für die Klimakatastrophe aus. Ein Blick in den neuen IPCC-Sachstandsbericht (meine Zusammenfassung hier) zeigt, dass die Emissionen so schnell sinken müssen, dass die Kernfusion selbst gemäß dem eigenen Zeitplan kaum einen Beitrag dazu leisten können wird.

Die Graphen zeigen die Entwicklung der menschlichen Kohlendioxid-Emissionen in verschiedenen Szenarien bis 2100 (Quelle).

ssp-szenarien des ipcc neben erwarteten fortschritten der kernfusion

Lediglich die beiden blauen Szenarien garantieren mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Limitierung der Erderhitzung auf 2°C (Genaueres dazu hier). Geplant ist die erstmalige Zündung eines Deuterium-Tritium-Plasmas im ITER derzeit für 2030, wobei mit Verspätungen gerechnet wird. In einem Nachfolger namens DEMO soll dann erstmals tatsächlich Strom erzeugt und ins Netz eingespeist werden, wenn auch zunächst in kleinen Mengen. Eine entsprechende Demonstration könnte 2048 stattfinden. Dann wäre der Weg frei für Fusionskraftwerke im großen Maßstab – dann müssen die Emissionen aber schon längst die Nettonull erreicht haben.

Oder anders formuliert: Wenn wir jemals Kohlekraftwerke durch Fusionskraftwerke ersetzen müssen, haben wir eh schon verloren. Im Gegenteil, Kernfusion könnte als Rechtfertigung genutzt werden, tatsächlich wirksame Klimaschutzmaßnahmen zu unterlassen. Das ist kein hypothetisches Szenario, die EU-Kommission hat Fördergelder für den ITER entgegen aller Fakten unlängst als Klimaschutz-Mittel deklariert.

Und dann ist noch das Abwärmeproblem: Eine zugegebenermaßen recht hypothetische sprunghafte Erhöhung des Energiebedarfs wäre auch durch Kernfusion nicht klimafreundlich zu decken, denn wie bei allen Wärmekraftwerken wird auch hier Primärenergie in Abwärme umgewandelt. Diese Heizleistung spielt aktuell im Vergleich zu der zusätzlichen Heizleistung unserer Atmosphäre durch Treibhausgasemissionen noch keine große Rolle. Doch „grenzenlos“ ist eben keine Energiequelle, die nicht bereits im Klimasystem vorhandene Energie nutzt – bspw. die Sonne direkt, den besten Fusionsreaktor überhaupt.

Das bedeutet aber keineswegs, dass diese Projekte nicht jeden Cent wert sind! Uns Menschen gehen die Ideen nie aus, was wir alles mit Energie anstellen können und wenn wir es tatsächlich schaffen, die Erderhitzung zu begrenzen, könnte uns die saubere und günstige Fusionsenergie einmal unglaubliche Möglichkeiten bringen.

Ein Beispiel: Werft mal einen Blick auf die grau unterlegte Fläche unterhalb der Nulllinie in dem Diagramm. Wenn wir das 1,5°C-Ziel einhalten wollen, brauchen wir nicht nur eine Nettonull, sondern wir müssen in der zweiten Jahrhunderthälfte damit beginnen, Treibhausgase in großen Mengen aus der Atmosphäre zu entfernen. Um die entsprechenden Anlagen zu betreiben, werden wir viel Strom benötigen – nicht auszuschließen, dass Kernfusionsreaktoren ihn uns liefern könnten.

Grundlagenforschung ist nie verkehrt. Der Laser, mit dem die Wasserstoff-Pellets ionisiert werden, funktioniert nur durch Einsteins theoretische Vorarbeit zu Licht und Quanten – doch an einen Laser und seine Anwendungen hätte Einstein wohl nie zu träumen gewagt. Das erfolgreiche Fusionsexperiment der Forscher*innen ist ein Meilenstein der physikalischen Grundlagenforschung. Nicht mehr und nicht weniger.

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