Energie & Kommunikation

Strom aus Kernfusion

Computerzeichnung eines Maschinenhauses im Schnitt, im Zentrum der Fusionsreaktor mit angedeutetem Plasma

Schnittzeichnung der zurzeit im Bau befindlichen ITER-Anlage. Im Zentrum befindet sich der Fusionsreaktor mit dem Plasma. Bild © ITER Organization, http://www.iter.org

Die Kernfusion ist die Energiequelle der Sonne und der Sterne. Man hofft, dass sie eines Tages in kommerziellen Kraftwerken nutzbar sein wird; dann stünde der Menschheit eine praktisch unerschöpfliche, sichere und umweltfreundliche Energiequelle zur Verfügung. Dazu müssen jedoch grosse technische Herausforderungen bewältigt werden.

Die Kernfusionstechnik, das Verschmelzen von Atomkernen, hat in den letzten Jahrzehnten grosse Fortschritte gemacht. Triebfeder für die weltweite Forschung sind die enormen Energiemengen, die bei der Kernfusion freigesetzt werden. Fusionskraftwerke würden die Umwelt nur gering belasten und produzieren keine Treibhausgase. Ein schwerer Unfall mit relevanter Freisetzung von radioaktiven Stoffen kann nach heutigem Wissen ausgeschlossen werden. Zudem erzeugt der Fusionsprozess selbst keine radioaktiven Brennstoffabfälle. Während des Betriebs werden zwar die Systemkomponenten im Reaktorinnenraum radioaktiv, diese Radioaktivität klingt aber sehr viel rascher ab als jene der ausgedienten Brennstäbe eines herkömmlichen Kernkraftwerks. Ein weiterer Vorteil der Kernfusion liegt darin, dass die dafür nötigen Brennstoffe auf der Erde in praktisch unerschöpflicher Menge vorhanden sind.

Aus schwerem Wasserstoff wird Helium

Darstellung der an einer Kernfusion beteiligten Teilchen Deuterium, Tritium und Helium; Protonen in Rot, Neutronen in Blau

Bei der Kernfusion verschmelzen ein Deuterium- und ein Tritiumkern zu einem Heliumkern, wobei ein energiereiches Neutron freigesetzt wird. Bild: Nuklearforum Schweiz.

Bei der Kernfusion werden zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren verschmolzen. Dies gelingt am einfachsten mit der Fusion der beiden Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium. Während der Kern des normalen Wasserstoffs nur aus einem Proton besteht, enthält der Deuteriumkern zusätzlich ein Neutron, der Tritiumkern zusätzlich zwei Neutronen. Wenn sie miteinander verschmelzen, entsteht das für Mensch und Umwelt gefahrlose Edelgas Helium sowie ein Neutron mit hoher Energie. Dieser Fusionsprozess setzt im Reaktor Wärme frei,
mit der sich wie bei herkömmlichen Kernkraftwerken Wasserdampf erzeugen lässt, der die Turbinen und Generatoren für die Stromproduktion antreibt.

Unter den am Fusionsprozess beteiligten Atomkernen ist einzig das Tritium radioaktiv, mit einer Halbwertseit von zwölf Jahren. Tritium kommt in der Natur fast nicht vor. Es entsteht im Reaktor aus Lithium und wird laufend in nicht radioaktives Helium umgewandelt. Die bei der Fusion freigesetzten energiereichen Neutronen aktivieren jedoch mit der Zeit die Strukturmaterialien im Reaktor. Hundert Jahre nach Betriebsende sind diese Materialien nicht mehr radioaktiv, oder sie können rezykliert werden. Ein geologisches Tiefenlager ist nicht nötig.

Ein kleiner Lastwagen mit Kernbrennstoff pro Jahr

In jedem Kubikmeter Wasser befinden sich rund 35 Gramm Deuterium. Tritium kommt hingegen in der Natur kaum vor. Es kann jedoch im Fusionskraftwerk mit Hilfe der freigesetzten Neutronen aus dem Element Lithium «erbrütet» werden. Lithium ist eines der häufigsten Leichtmetalle in der Erdkruste und nicht auf lokale Vorkommen begrenzt. Damit ist der Fusionsbrennstoff in riesigen Mengen vorhanden: Um ein Fusionskraftwerk von der Grösse eines herkömmlichen 1000-Megawatt-Kernkraftwerks ein Jahr lang zu betreiben, sind nur rund 100 Kilogramm Deuterium und einige Tonnen Lithium nötig. Mit dieser winzigen Materialmenge, die in einem kleinen Lastwagen Platz fände, liesse sich der jährliche Stromverbrauch von rund einer Million Menschen decken. Ein Kohlekraftwerk benötigt für die Erzeugung der gleichen Strommenge rund 1’500’000 Tonnen Kohle pro Jahr.

ITER: Der Weg zum Fusionsreaktor

Die grosse technische Herausforderung bei der Planung von Fusionsreaktoren besteht darin, dass die Kernfusion erst in der Nähe von 100 Millionen Grad möglich ist, da zuvor die starken Abstossungskräfte zwischen den positiv geladenen Atomkernen überwunden werden müssen. Bei diesen enormen Temperaturen trennen sich die Elektronen von den Atomkernen, die dadurch ionisiert werden – das Gas liegt als sogenanntes Plasma vor. Weil das Plasma elektrisch leitend ist, lässt es sich durch magnetische Felder beeinflussen. Diese Eigenschaft macht man sich im Fusionsreaktor zu Nutze, indem das heisse Plasma in einem Käfig aus Magnetfeldern eingeschlossen und so von den Reaktorwänden ferngehalten wird.

Luftbild des Kernforschungszentrums Cadarache

Luftbild des ausgedehnten Geländes des Kernforschungszentrums Cadarache nordöstlich von Marseille, wo ITER gebaut wird. Bild © ITER Organization, http://www.iter.org

Man weiss aus früheren Experimenten, dass dies im Prinzip funktioniert. Nun wird als nächster Schritt der Experimentalreaktor Iter (lateinisch «der Weg») am südfranzösischen Standort Cadarache gebaut. Der Zusammenbau des Reaktors dürfte 2025 vollendet sein, wenn auch das erste Plasma erzeugt werden soll. In einer ersten Phase sollen umfangreiche Tests durchgeführt werden – zunächst nur mit Wasserstoff oder Helium, um keine Neutronen zu produzieren. Versuche mit Deuterium und Tritium sind ab 2035 vorgesehen. Anschliessend soll eine Demonstrationsanlage gebaut werden. Gemäss diesem Zeitplan könnte ab Mitte des 21. Jahrhunderts die Zeit
reif sein für kommerzielle Fusionskraftwerke.

Erstellt: 03.03.2021
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