Forscher aus aller Welt beschäftigen sich mit einer Technik, die als Energiequelle der Zukunft gehandelt wird. Die Kernfusion ist der Vorgang, der in der Sonne und allen anderen leuchtenden Sternen vonstattengeht. Dabei verschmelzen Wasserstoff-Atomkerne zu Helium, eine Reaktion, die enorme Energie freisetzt. Wenn man es schaffen könnte, diese Energie wie bei einem Atomkraftwerk in Elektrizität umzuwandeln, wäre dies sehr ergiebig. Die Experimente, die in Kernreaktoren gemacht werden, wagen den Versuch, eine kleine Sonne auf der Erde zu erzeugen.
Nach dem Unfall in Fukushima 2011 hat sich Deutschland den Atomausstieg vorgenommen. Zudem soll es in Zukunft auch deutlich mehr Elektromobilität geben, also müssen neue Energiequellen erschlossen werden. Dass Kohle auf Dauer nicht hauptsächlich für die Energiegewinnung genutzt werden sollte, liegt auf der Hand. Zu groß ist der Schaden für Mensch und Natur. Nun gibt es natürlich erneuerbare Energiequellen wie Windkraft, Solarenergie, Wasserkraft oder Erdwärme, aber die werden auch nicht reichen, um den Bedarf zu decken.
Das Energieprinzip der Sterne
Tatsächlich ist Kernfusion der häufigste Vorgang im uns bekannten Universum. Sie ist das Energieprinzip der Sterne. In den 1920er Jahren rückte die Kernfusion in den Fokus der Forscher, als der Brite Arthur Eddington herausfand, dass in der Sonne Wasserstoffatome zu Helium verschmelzen. Sein Buch “Der innere Aufbau der Sterne” führte zur Entstehung der modernen Astrophysik. In den folgenden Jahren fand man heraus, dass die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium an der Reaktion beteiligt sind. In den 1950er Jahren begann man daran zu forschen, wie sich eine Kernfusion auf der Erde replizieren lassen könnte. Seitdem gab es immer wieder Fortschritte auf dem Weg zu einer stabilen Kernfusion. Leider ist die Umsetzung derart kompliziert, dass der Zeitpunkt der Verwirklichung immer wieder nach hinten verschoben wird.
Plasma
Für die Kernfusion müssen die Teilchen in einem Zustand sein, den man auch den vierten Aggregatzustand nennt: Plasma. Dieser kommt nach dem gasförmigen Zustand, also wenn die Stoffe noch deutlich heißer werden. Das Plasma ist elektrisch leitend, das heißt, es kann durch Magnetfelder beeinflusst werden. Mit diesem sogenannten Magnetfeldkäfig lässt sich das Plasma von den Wänden des Reaktors fernhalten – wichtig, da es über 100 Millionen Grad heiß ist.
Bei der Kernfusion kommt es auf die richtigen Zündbedingungen an: In dem brennenden Plasma müssen die Teilchen oft und heftig genug aufeinanderstoßen. Das Plasma muss durch den Magnetfeldkäfig so zusammengehalten werden, dass möglichst wenig Wärme austritt. Außerdem ist die Dichte des Plasmas 250.000-mal dünner als die Lufthülle der Erde. Damit besitzt es trotz seiner hohen Temperatur eine ähnliche Leistungsdichte wie eine normale Glühbirne. Die Leistungsdichte beschreibt hierbei das Verhältnis zwischen Masse und freigesetzter Energie. Einfach ausgedrückt: Das Plasma ist extrem leicht.
Vergleich zur Atomkraft
Für viele Menschen ist der Vorteil gegenüber der Atomkraft nicht ersichtlich. Doch es gibt große Unterschiede: Der Abfall eines AKWs strahlt deutlich mehr und länger, er ist auch für die Gesundheit schädlicher. Plutonium beispielsweise hat eine Halbwertszeit von 24.000 Jahren. Kleinste Partikel davon können zu Lungenkrebs führen. Außerdem besteht das Risiko eines Unfalls. In einem Atomreaktor, der für eine gewisse Zeit keinen Strom zur Verfügung hat, käme es unweigerlich zur Kernschmelze.
Die Kernfusion würde bei Gelingen mehrere Fliegen mit einer Klappe schlagen. Ein Gramm Brennstoff könnte in einem Kraftwerk 90.000 Kilowattstunden Energie erzeugen – die Verbrennungswärme von 11 Tonnen Kohle. Außerdem sind die Brennstoffe leicht zugänglich. Deuterium ist in großen Mengen im Meerwasser enthalten und Tritium kann aus Lithium gebildet werden. Ein Kernfusionsreaktor hat außerdem keine klimaschädlichen Emissionen. Auch ein Super-GAU, also eine Kettenreaktion, die zu einer Explosion führt, ist – anders als bei einem Atomkraftwerk – unmöglich. Bei einem Stromausfall würde die Reaktion beispielsweise einfach stoppen.
In der Theorie klingt das alles vielversprechend. Zwar fallen radioaktive Abfälle an, das Tritium strahlt allerdings so schwach, dass es die menschliche Haut nicht durchdringt. Außerdem hat es eine kurze Halbwertszeit von 12,5 Jahren und zerfällt daher relativ schnell. Die Abfälle können auch gut eingeschlossen werden, was die Strahlung sogar noch weiter verringert.
Fortschritte in der Forschung
Weil ein Kernfusionsreaktor so kompliziert ist, kommt man dem Ziel der stabilen Fusion nur schrittweise näher. Einem Forscherteam in China ist es 2021 gelungen, eine Kernfusion mit einer Temperatur von etwa 150 Millionen Grad Celsius für zehn Sekunden aufrechtzuerhalten, was bemerkenswert ist.
An dieser Stelle sollte ursprünglich stehen, dass bislang mehr Energie durch das Zünden verbraucht wird, als die Kernfusion freisetzt. Und dass laut Schätzungen führender Wissenschaftler bis zur Anwendbarkeit der Technik noch Jahrzehnte vergehen könnten. Doch es gab jüngst einen Durchbruch: Am 13.12.2023 gab das Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL, Kalifornien, USA) bekannt, dass es Wissenschaftlern der National Ignition Facility (NIF) gelungen ist, einen Mini-Stern auf der Erde zu zünden. Sie verbrauchten etwa 2 Megajoule, um das Plasma mit Lasern zu erhitzen und erhielten dafür etwa 3 Megajoule an freigesetzter Energie, also eine Steigerung von 150 Prozent. Die Energie trat in einem Zeitraum aus, der kürzer ist, als der, den Licht für eine Distanz von 2,5 Zentimeter braucht. Dieser Fortschritt bedeutet für die Forschung einen beispiellosen Aufwind und könnte der entscheidende Wendepunkt sein, auf den man lange gehofft hat.
Energiequelle der Zukunft
Die Kernfusion könnte die wichtigste Energiequelle der Zukunft werden. Sie ist ergiebig, sicher und unbegrenzt verfügbar. Leider ist die Technik so kompliziert, dass sie trotz jahrzehntelanger Forschung noch nicht für die Nutzung bereit ist. Der jüngste Durchbruch kann aber eine Wende darstellen und birgt die Hoffnung, dass diese Nutzung innerhalb weniger Jahre möglich ist. Das würde saubere, klimaneutrale Energie mit fast unbegrenzter Verfügbarkeit bedeuten und das Ende einiger der größten Probleme der Menschheit. Eine kleine Sonne auf der Erde.
Von Tim Bergfeld
Foto: Smybolbild, Pixabay
