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Zukunftsenergie War das der große Durchbruch für die Kernfusion? Fünf Fragen, fünf Antworten

Ein Lift ermöglicht Technikern am Lawrence Livermore National Laboratory den Zugang zum Inneren der Kammer, in der Hochleistungslaser die Bedingungen für eine Kernfusion herstellen
Ein Lift ermöglicht Technikern am Lawrence Livermore National Laboratory den Zugang zum Inneren der Kammer, in der Hochleistungslaser die Bedingungen für eine Kernfusion herstellen
© Philip Saltonstall/Lawrence Livermore National Laboratory/dpa
Forschenden aus den USA ist es gelungen, mehr Energie aus einer Kernfusion herauszuholen, als sie reinstecken mussten. Eine Sensation! Doch ist das Experiment wirklich der große Durchbruch? Fünf Antworten auf die wichtigsten Fragen

Wie funktioniert eine Kernfusion?

Um aus einer Kernfusion Energie zu gewinnen, braucht es dieselbe Grundlage, die auch die Kernspaltung so attraktiv macht: Atomkerne. Bei Fusionen, die auf der Erde herbeigeführt werden, nutzen Forscherinnen und Forscher die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium. Ersteres kommt in Wasser vor und ist damit in riesigen Mengen verfügbar. Tritium kann aus Lithium gewonnen werden. Verschmelzen nun die beiden Ausgangsstoffe Deuterium und Tritium zu einem Heliumkern – genauer: einem Alphateilchen und einem Neutron –, wird Energie freigesetzt.

Bei einer Kernfusion entsteht zwar auch radioaktiver Müll, aber wesentlich weniger als bei der Kernspaltung, zudem ist die Zerfallszeit kürzer. Auch besteht keine Gefahr einer unkontrollierten Kettenreaktion, die in einem Gau mündet. Wenn die Kernfusion außer Kontrolle gerät, erlischt sie von selbst – einer der Gründe, warum es so schwer ist, sie überhaupt in Gang zu setzen. 

Warum weckt die Methode solch große Hoffnungen?

Die Kernfusion gilt als letzte primäre Energiequelle, die die Menschheit noch nicht für sich nutzt. Dabei ist das Potenzial gewaltig, denn der Prozess ist im Vergleich zu anderen um ein Vielfaches effizienter. "In unserem Institut steht immer ein Tablett mit Wasserflaschen und zwei lithiumhaltigen Steinen", erzählt Christian Linsmeier, Direktor am Institut für Energie- und Klimaforschung in Jülich. "Der darin steckende Energiegehalt an Deuterium und Lithium reicht, um eine durchschnittliche Familie das ganze Jahr zu versorgen."

Außerdem werden bei der Kernfusion keine Treibhausgase freigesetzt, die die Erwärmung der Erdatmosphäre weiter anheizen. Der Mix aus schier unendlicher Verfügbarkeit, vergleichsweise sehr geringen Treibhausgasemissionen und ausbleibenden radioaktiven Abfällen macht die Kernfusion neben den Solar- und Windenergiequellen zu einem der Hoffnungsträger für die Energiegewinnung der Zukunft.

Woran hapert es? 

Dass zwei Wasserstoffatomkerne zu einem Heliumatomkern fusionieren und Energie freigesetzt wird, passiert ständig. Allerdings geschieht dies nicht auf der Erde und nicht unter kontrollieren Bedingungen, sondern im Innern der Sonne. Dort ist die Temperatur hoch genug, um den Prozess der Kernfusion dauerhaft aufrecht zu erhalten.

Daran scheitern die irdischen Versuche bislang allerdings. Im Grunde gebe es zwei Möglichkeiten, um Deuterium und Tritium miteinander zu verschmelzen, erläutert Linsmeier. Entweder man heize sie durch leistungsstarke Laser so schnell und heiß auf, dass die beiden Isotope, die sich normalerweise abstoßen würden, nicht schnell genug voneinander entfernen können und dank der Hitze fusionieren. Dieser Ansatz wurde im aktuell diskutierten Experiment der US-Forscherinnen und Forscher verfolgt. Oder man verwende ein bis zu 150 Millionen Grad Celsius heißes Plasma, das die Atomkerne in eine ausreichend hohe Geschwindigkeit versetzt, sodass deren Abstoßung überwunden und die Fusion eingeläutet wird. "Diese Bedingungen herzustellen ist jedoch unglaublich schwierig und wenn irgendetwas schief geht, fällt die Reaktion sofort in sich zusammen", sagt Linsmeier. "Im Gegensatz zur Kernspaltung ist die Fusion keine Kettenreaktion, ihre Bedingungen müssen dauerhaft und sehr aufwendig künstlich aufrechterhalten werden. Darin liegt bislang die große Schwierigkeit."

Warum wird das Experiment der Forschenden aus den USA als ein so großer Erfolg gehandelt?

Am 5. Dezember ist es einem Forschungsteam am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien gelungen, eine Kernfusion auszulösen, bei der mehr Energie gewonnen als verbraucht wurde – so zumindest die Sensationsmeldung, die seit Montagabend um die Welt geht. Die US-Energieministerin Jennifer Granholm sprach sogar von der "beeindruckendsten wissenschaftlichen Leistung des 21. Jahrhunderts" und dem Beginn einer neuen Ära der Energiegewinnung.

Die Forscherinnen und Forscher nutzten 192 Hochleistungslaser, um wenige Milligramm gefrorenen Wasserstoff so stark zu erhitzen, dass der Fusionsprozess ausgelöst wurde. Dass dies prinzipiell möglich ist, war schon länger klar, Nachrichtenwert hatte jedoch die Energiebilanz des Experiments: 2,1 Megajoule waren nötig, um die Fusion auszulösen, frei wurden 3,2 Megajoule. "Das zeigt, dass es den Kollegen gelungen ist, zum ersten Mal eine Fusionsreaktionen auszulösen, die sich selbst erhalten hat", sagt Linsmeier. "Die aus der ersten Fusionsreaktion gelieferte Energie wurde genutzt, um weitere Fusionen auszulösen, ohne dass der Laser weiter darauf schießen musste. Die Fusionsreaktion hat sozusagen gebrannt – und das ist tatsächlich ein großer Erfolg."

Der Haken? Bezieht man den gesamten Versuchsaufbau in die Rechnungen mit ein, ist die Energiebilanz negativ, und zwar deutlich. Insgesamt verbrauchten die Laser, die nicht direkt auf den Wasserstoff gerichtet, sondern zunächst in Röntgenstrahlung umgewandelt wurden, 300 Megajoule Strom. "Um also wirklich Energie zu gewinnen, müssten die Laser um ein Vielfaches effizienter werden", sagt Linsmeier. Eine solche technologische Entwicklung sei jedoch derzeit nicht absehbar. Außerdem müsste dieser Prozess nicht nur einmalig passieren, sondern sich zuverlässig viele Male pro Sekunde wiederholen. Auch das gelang im US-Experiment noch nicht.

Welcher Zeithorizont für ein kommerziell funktionierendes Kernfusionskraftwerk ist realistisch?

Seit den 1950er-Jahren suchen Forscherinnen und Forscher nach einer Möglichkeit, den Fusionsprozess der Sonne auf der Erde im großen Stil zu replizieren. Seit 2007 baut ein Forschungsteam im südfranzösischen Kernforschungszentrum den Versuchs-Kernfusionsreaktor Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor). Im Gegensatz zum kalifornischen Experiment setzt das Iter-Projekt auf diejenige Methode, die ohne Laser auskommen möchte: Ausreichend heißes Plasma soll so eingeschlossen werden, dass es nicht abkühlt und die Fusionsreaktion dauerhaft ablaufen kann.

Linsmeier, der mit seinem Team an dem Experiment beteiligt ist, hält diesen Weg naturgemäß für den vielversprechenderen. Läuft alles nach Plan, soll Iter im Jahr 2025 fertig gestellt werden und dann die ideale Bauweise eines kommerziellen Kernfusionsreaktors ermitteln. Wie lange das dauert, ist schwer abzuschätzen. Linsmeier gibt sich jedoch zuversichtlich: Stelle die Politik ausreichen finanzielle Mitte zur Verfügung, könne man bereits in 15 Jahren einen ersten Kernfusionsreaktor zu Demonstrationszwecken ans Netz bringen.

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