Fusionskraftwerk

Vom Spalten und Schmelzen

Herkömmliche Atomkraftwerke, in denen Energie mithilfe der Kernspaltung (Fission) produziert wird, haben verschiedene Nachteile. Besonders im Fokus stehen die hohen Sicherheitsrisiken. Ein denkwürdiges Beispiel aus jüngster Zeit ist der Reaktorunfall im japanischen Fukushima, im Zuge dessen acht Prozent der Landmasse Japans mit radioaktivem Cäsium verstrahlt wurde. Darüber hinaus ist die Lagerung der radioaktiven Abfallprodukte noch immer ungeklärt. So existiert weltweit noch kein einziges Endlager für Atommüll.

Fusionskraftwerke können eine Alternative zur Kernspaltung darstellen. Gelänge die Fusion von Wasserstoffatomen zu Helium in großem Maßstab, wäre die Energieversorgung der Erde auf lange Zeit gesichert. Denn der Energieträger „Wasser“ steht nahezu endlos zur Verfügung. So entspricht der Brennwert von einem Kilogramm Wasserstoff der Energiemenge, die heutzutage aus 11.000 Tonnen Kohle gewonnen werden kann. Die Kernfusion ist also im Vergleich zur Kernfission kostengünstig in der Rohstoffbeschaffung. Zudem sind die Abfallprodukte nur schwach und kurzlebig radioaktiv.

Wie ein Fusionskraftwerk funktioniert

Die Idee der Kernfusion ist von der Sonne abgeguckt. Die Sonne besteht hauptsächlich aus sogenanntem Plasma, in dem Wasserstoffmoleküle zu Helium verschmelzen. Dabei wird durch den Prozess der Kernfusion eine große Menge Energie freigesetzt. Weltweit arbeiten Wissenschaftler daran, dieses Wissen für die Stromerzeugung in Fusionskraftwerken nutzbar zu machen.

Damit eine Kernfusion stattfinden kann, muss zunächst ein sogenanntes Plasma erzeugt werden. Im Plasmazustand lösen sich Atomverbände auf, das Plasma besteht dann nur noch aus geladenen Teilchen. Um dies zu erreichen, sind jedoch sehr hohe Temperaturen notwendig. Während auf der Sonne 15 Millionen Grad Celsius ausreichen, um Fusionsprozesse in Gang zu setzen, müssen auf der Erde Temperaturen von 100 Millionen Grad Celsius vorherrschen. Der Grund: Im Sonneninnern ist der Druck um ein Vielfaches höher als auf der Erde.

In einem Fusionskraftwerk dienen die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium als Brennstoffe. Diese werden erhitzt und verschmelzen dabei zu einem Neutron und einem Heliumkern. Riesige Energiemengen werden freigesetzt – die Energie des Heliumkerns ist 100-mal höher als die des Ausgangsmaterials. Diese Energie überträgt sich wiederum auf die Teilchen in der Umgebung – eine Kettenreaktion wird in Gang gesetzt. Ist diese Reaktionskette groß genug, kann sie die Temperatur des Plasmas selbstständig halten (genauso wie auf der Sonne).

Aber es gibt ein Problem: Kein Material hält Temperaturen von 100 Millionen Grad Celsius stand, ohne nicht sofort zu schmelzen. Deshalb wird das Plasma in einem magnetischen Käfig eingeschlossen. Der Tokamak und der Stellarator sind zwei Möglichkeiten, ein solches Magnetfeld herzustellen. Beim Tokamak wird es dadurch erzeugt, dass ein elektrischer Strom induziert wird. Beim Stellarator wird das benötigte Magnetfeld ausschließlich durch Spulen geschaffen.

Testanlage soll Sonnenfeuer auf der Erde entfachen

Ein nach dem Tokamak-Prinzip arbeitender Fusionsreaktor wird derzeit im Rahmen des internationalen Forschungsprojekts ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) im südfranzösischen Cadarache gebaut. Wissenschaftler wollen dort die physikalischen und technischen Grundlagen erforschen, die nötig sind, um ein Fusionskraftwerk zur Stromerzeugung zu nutzen. Grundlegende Ziele des ITER sind die Erprobung von Schlüsseltechnologien wie etwa supraleitende Magnete oder die Plasmaheizung.

Darüber hinaus existieren zahlreiche weitere Versuchsanlagen, die sowohl das Tokamak- als auch das Stellarator-Prinzip testen. Sie alle vereint das Ziel, Fusionsreaktoren bis Mitte des Jahrhunderts für die kommerzielle Nutzung fit zu machen. Damit es dazu kommt, müssen jedoch noch verschiedene Probleme überwunden werden. So ist es derzeit nicht bzw. nur unter Einsatz immenser Energiemengen möglich, die Temperatur des Plasmas in der Fusionskammer zu halten.