Fusionsreaktor

Was ist ein Fusionsreaktor?

Kernfusion bedeutet das Verschmelzen zweier Atomkerne. Dabei können, je nach Reaktion, große Mengen von Energie freigesetzt oder aber verbraucht werden. Kernfusionen, bei denen Energie frei wird, laufen in Form von Kettenreaktionen ab. Sie sind die Quelle der Energie der Sterne, zum Beispiel auch unserer Sonne. Eine Energie freisetzende Kettenreaktion der Verschmelzung von Deuterium- und Tritiumkernen ist die wichtigste Basis der irdisch nutzbaren Fusionskraft.

Fusionskraft zählt wie Kernspaltung zur Kernkraft, hat aber gegenüber der Kernspaltung Vorteile wie kurzlebigere und schwächer strahlende atomare Abfälle, ein noch geringeres Risiko einer unkontrollierbaren Kettenreaktion und einen praktisch unerschöpflichen Brennstoffvorrat: Deuterium („schwerer Wasserstoff“) ist in kleinen aber ausreichenden Anteilen in normalem Wasser enthalten, Tritium („superschwerer Wasserstoff“) sollen die Fusionskraftwerke aus dem reichlich vorhandenen Rohstoff Lithium als Nebenprodukt des Betriebs selbst erzeugen. Ein Fusionsreaktor wandelt die Energie, die bei einer kontrollierten Kernfusion frei wird, in elektrischen Strom um. Die menschliche Nutzung der Fusionskraft stellt ein einmaliges technologisches Unterfangen dar – zwischen der ersten Erforschung der physikalischen Grundlagen der Fusionskraft und ihrer technischen Nutzung liegt ein Zeitraum von schätzungsweise einem Jahrhundert, der finanzielle und technologische Aufwand ist enorm.

Es gibt weltweit noch keinen Netzstrom erzeugenden Fusionsreaktor. Die technischen Hürden sind hoch, ein Fusionsreaktor muss extrem hohe Drücke und Temperaturen erzeugen, um die Fusion in Gang zu setzen. Die Planungen zu experimentellen Reaktoren sind jedoch weit fortgeschritten: Gegenwärtig ist der Reaktor JET (Joint European Torus, Gemeinsamer Europäischer Torus) fertig gestellt, der ITER (lateinisch für „der Weg“, ursprünglich: „International Thermonuclear Experimental Reactor“, Internationaler experimenteller Thermo-Nuklearreaktor) im Bau und die nächste Etappe, der Strom erzeugende Reaktor DEMO (Demonstration Power Plant, Demonstrationskraftwerk), in Planung. Alle diese Projekte werden von Kooperationen mehrerer Staaten getragen. JET ist der erste Reaktor, der ein Energiegleichgewicht erreicht hat, er kann kurzzeitig genauso viel Energie liefern, wie zuvor investiert wurde.

Wie funktionieren ein Fusionsreaktor?

Ein Fusionsreaktor funktioniert nach dem klassischen Prinzip eines Wärmekraftwerks: Wasser oder alternative Stoffe werden erhitzt und treiben eine Dampfturbine an, deren Bewegungsenergie von einem Generator in Strom gewandelt wird.

Ein Fusionskraftwerk benötigt zunächst eine hohe Menge an Energie. Ein Plasma muss erzeugt werden. „Plasma“ nennt man den vierten Zustand von Stoffen, nach fest, flüssig und gasförmig. Er ist dann erreicht, wenn Gase freie Ionen oder Elektronen aufweisen, man spricht auch von „ionisierten Gasen“. Ein Hochtemperaturplasma entsteht erst ab Temperaturen von 20.000 Grad Celsius und mehr, es leitet elektrischen Strom.

In einem Fusionsreaktor muss Plasma auf hundert Millionen Grad Celsius erhitzt werden. Dafür werden dem Plasma für einige Sekunden 50 bis 100 Megawatt zugeführt. Gleichzeitig muss das Plasma hinter „magnetischen Gittern“ eingefangen werden, also mit Hilfe starker magnetischer Felder, die auf die elektrische Ladung der Plasmateilchen wirken. Erst durch diese extreme Energiekonzentration zündet die Fusionsreaktion. In der Folge wird ein Teil der frei werdenden Hitze für den Fortbestand der Reaktion genutzt. Mit der verbleibenden Wärme wird die Dampfturbine angetrieben und Strom erzeugt.

Vor- und Nachteile auf einen Blick

Vorteile
  • Fusion ist eine unverbrauchbare Energie, es gibt kein Ressourcenproblem für die Ausgangsstoffe. Große Mengen elektrischer Energie können durch ein Fusionskraftwerk langfristig und kontinuierlich geliefert werden.

  • Fusionskraftwerke sind – nach Bewältigung hoher Investitionskosten – eher günstig im Betrieb.

  • Fusion ist emissionsarm. Es fallen keine direkten Schadstoff-Emissionen an.

  • Gegenüber Kernspaltung hat die Kernfusion weniger direkte Nachteile: Eine unkontrollierte Kettenreaktion ist noch unwahrscheinlicher, es herrschen wesentlich kürzere Zerfallszeiten für den radioaktiven Rückstand (30-100 Jahre), der zudem schwächer strahlt.

  • Fusion kann helfen, noch unbekannten Herausforderungen zu begegnen. So könnte Fusionskraft etwa als Antrieb für die Raumfahrt geeignet sein.

Nachteile
  • Die Nutzung der Fusionskraft bringt einen gewaltigen Finanzierungsaufwand für die Erforschung mit sich. Der Ertrag ist jedoch noch unabsehbar. Die Langfristigkeit der Marktfähigkeit von Fusionsenergie hilft nicht, aktuelle Probleme zu lösen. 

  • Gesundheitliche Risiken sind noch unklar. Auch die Frage, ob Tritium aus einem Fusionsreaktor austreten kann, ist umstritten.

  • Fusionskraftwerke wären zentralisierte High-Tech-Reaktoren. Dies könnte in Zukunft auch zu Gerechtigkeitsproblemen führen, zum einen zwischen hoch entwickelten und sich entwickelnden Regionen, zum anderen zwischen den Generationen – die heute die Mittel aufbringen, werden von der Leistung kaum selbst noch profitieren.

Fusionsreaktoren aus Nutzersicht

Schon in den achtziger Jahren des 20. Jahrhunderts wurde Fusionskraft als potenzielle Chance der teilweisen Lösung des Energieproblems benannt. Die Rolle von Fusion in der öffentlichen Diskussion hat sich seitdem wenig geändert. Noch immer gilt Fusion als abstrakte Hoffnung, über die die Bevölkerung wenig informiert ist. Kritiker sprechen daher ironisch von der „Fusionskonstante“. Gemeint ist der gleich bleibenden Zeitraum, den Fusionsenergie angeblich noch benötigen wird, um Teil eines Strommixes werden zu können.

Die Europäische Union hat eine eigene Unterorganisation zur Koordinierung der Erforschung von Fusionskraft, die EFDA (European Fusion Development Agreement, Europäisches Abkommen zur Entwicklung von Fusion). Geldgeber und Initiator von Großprojekten ist die Europäische Atomgemeinschaft EURATOM.

Gleichberechtigte Partner im Bau und Betrieb von ITER sind neben EURATOM noch Japan, Russland, Südkorea, die Vereinigten Staaten und die Volksrepublik China. Frankreichs damaliger Präsident Jacques Chirac sagte zum Start des Forschungsreaktor ITER 1999, es sei „das größte Forschungsprojekt seit der internationalen Raumstation“. Der ITER wird als internationales Projekt im südfranzösischen Cadarache gebaut. Für viele Kritiker übertragen sich die Akzeptanz- und Imageprobleme der Kernspaltungskraft auch auf die Technologie der Fusionsenergie. Beides wird von Kritikern deshalb unterschiedslos „Atomkraft“ genannt und damit negativ besetzt. Fusionskraft hat Eingang in die Populärkultur gefunden, vor allem in Raumfahrtliteratur, Science-Fiction oder Simulationsspiele. Im Spieleklassiker „Civilisation“ ist „Fusionsenergie“ eine der fortschrittlichsten bekannten Technologien, die ein Spieler erforschen kann.

Fusionsreaktoren vernetzt gedacht

Fusionsenergie wird auch „die unendliche Energie“, „die Energie des Universums“ oder die „wahre Sonnenenergie“ genannt. Tatsächlich bezieht die Sonne ihre Energie aus permanenten Fusionsprozessen in ihrem Innern. Die Bedingungen der Sonne, vor allem der extrem hohe Druck, sind auf der Erde nicht zu erreichen. Daher müssen Fusionsreaktoren buchstäblich heißer als die Sonne werden – das Plasma im Inneren des Reaktors wird, etwa durch Mikrowellen, auf 100 Millionen Grad Celsius erhitzt. Die Sonne hat im Inneren eine Temperatur von 15 Millionen Grad Celsius, auf der Oberfläche sind es etwa 5500 Grad Celsius.

1 Gramm Wasserstoff liefert durch Fusionskraft so viel Energie wie die Verbrennung von 11 Tonnen Steinkohle oder 10.000 Liter Heizöl.

Alle bisherige Lösungen des Energieproblems sind nicht ohne Risiken und Nebenwirkungen. Nebenwirkungsärmere erneuerbare Energien werden unter Umständen nicht ausreichen, den Energiebedarf des Jahres 2100 zu decken. Es gibt nur wenige heute bereits absehbare und in den Bereich des technisch Machbaren gerückte Lösungswege. Kernfusion könnte einer davon sein. Trotz der hohen Kosten fragen Befürworter, ob wir uns das Nichtbeschreiten dieses Weges leisten können.

Kritiker bemängeln dagegen Fusionsforschung als „Brücke ins Nichts“ – dem erheblichen finanziellen und zeitlichen Aufwand steht ein ungewisser Ertrag gegenüber. Mehr noch konkurrieren die Investitionen in Fusion mit Investitionen in den Ausbau erneuerbarer Energien, die dringliche Probleme wie Klimawandel mit sofortiger Wirkung eindämmen helfen.

Verknüpfung zum Spiel

Fusionskraftwerke können nicht wie andere Kraftwerkstypen direkt in Energetika gebaut werden. Da mittel- bis langfristig nur Forschungsreaktoren gebaut werden, ist ihr Bau ein – ziemlich aufwändiges – Forschungsprojekt, durchgeführt von mehreren Staaten. Energetika kann sich anschließen mit einem eigenen Beitrag. Kosten und Dauer der Erforschung eines Fusionsreaktors sind hoch. Bei erfolgreicher Erforschung kann der Reaktor DEMO in Energetika gebaut werden. Das bringt einen Anteil am von DEMO produzierten Strom, der durch ein weiteres Forschungsprojekt zur Verbesserung des Reaktors deutlich gesteigert werden kann. Außerdem gibt es Punkte für den hohen Innovationsgrad erforschter Fusionstechnologie.



Weiterführende Links

Homepage des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik, IPP. Ausführliche Informationen zur Fusionsforschung:
http://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/index.html

Forschungsbericht des IPP:
http://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/berichte.pdf

Homepage des ITER, englisch:
http://www.iter.org/proj/Pages/ITERAndBeyond.aspx

Homepage des European Fusion Development Agreements, EFDA (englisch):
http://www.efda.org/index.htm

Artikel zur Fusionsforschung mit weiteren Unterartikeln zur Kernfusion, zu einem Fusionsreaktor und zu Plasma im Informationsportal „Welt der Physik“:
http://www.weltderphysik.de/de/1658.php

Kritischer Artikel zu den wesentlichen Aspekten der Fusionsenergie.
http://www.focus.de/wissen/wissenschaft/odenwalds_universum/frage-von-ingo-kraske-kann-die-kernfusion-unsere-energieprobleme-loesen_aid_346816.html

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