Bilderserie: So funktioniert Kernfusion

In Atomkraftwerken wird Energie aus der Spaltung schwerer Kerne wie Uran gewonnen.

Bei der Kernfusion geschieht das Gegenteil. Hier wird Energie bei der Verschmelzung von leichten Atomkernen zu schwereren frei.

Nach diesem Prinzip funktioniert die Wasserstoffbombe.

Aber auch unsere Sonne gewinnt auf diese Weise den größten Teil ihrer Energie. Zwei Wasserstoffkerne kommen dort so nahe zusammen, dass sie zu einem Heliumkern verschmelzen. Dabei werden gewaltige Energiemengen frei.

Kernfusionskraftwerke sollen der Menschheit diese Energiequelle erschließen und das Sonnenfeuer auf der Erde entfachen. Die irdischen Reaktoren sollen mit den beiden schweren Wasserstoffvarianten Deuterium und Tritium arbeiten.

Deuterium lässt sich aus Wasser gewinnen, aus Meerwasser zum Beispiel. Tritium müsste aus Lithium hergestellt werden.

Bei der Fusionsreaktion verschmelzen ein Deuteriumkern (bestehend aus einem Proton und einem Neutron) und ein Tritiumkern (der ein Proton und zwei Neutronen enthält) zu einem instabilen Helium-5-Kern. Dieser zerplatzt in ein Neutron mit einer Energie von 14,1 Mio. Elektronenvolt (MeV) und einen stabilen Heliumkern mit 2,54 MeV.

Die Ausgangsprodukte haben mehr Masse als die neu entstehenden Teilchen. Es geht also Masse verloren, die in Energie umgewandelt wird. Das Neutron wird an der Reaktorwand gebremst und gibt dort Energie in Form von Wärme ab. Damit kann Dampf erzeugt werden, welcher dann zur Stromerzeugung durch Turbinen geleitet wird.

Ein Gramm Brennstoff kann auf diese Weise so viel Energie freisetzen wie acht Tonnen Erdöl oder elf Tonnen Kohle, nämlich 90.000 Kilowattstunden.

Diese Energie reicht, um drei bis sechs Einfamilienhäuser ein Jahr lang mit Heizung und Warmwasser zu versorgen.

Als 1991 im JET-Laboratorium in England erstmals Energie aus kontrollierter Kernfusion erzeugt wurde, belief sich die Ausbeute auf etwa 1,8 Millionen Watt. Um die Fusion zu erreichen und zu erhalten, benötigte der Reaktor auch 1997 noch mehr Energie als er lieferte. Das ist bis heute das Problem.

Der internationale Testreaktor ITER, der im südfranzösischen Cadarache aufgebaut wird, soll eine positive Energiebilanz der Kernfusion erzielen.

Läuft alles nach Plan, könnte im Nachfolgekraftwerk DEMO dann in etwa 30 Jahren erstmals Strom aus Kernfusion erzeugt werden. Mit kommerziellen Kraftwerken rechnen die Forscher nicht vor 2060.

Wieso ist für eine Kernfusion so viel Energie nötig? Das physikalische Problem, das einer Kernfusion zugrundeliegt, ist die gegenseitige elektrische Abstoßung zwischen den immer positiv geladenen Atomkernen. Dieser "Coulombwall" muss für die Verschmelzung überwunden werden.

Das kann nur gelingen, wenn die Kerne mit hoher Geschwindigkeit aufeinander zufliegen. Dazu muss man das Gasgemisch, das die Kerne enthält, auf Temperaturen von etwa 100 bis 200 Millionen Grad Celsius bringen. Denn bei hohen Temperaturen besitzen die Kerne höhere Bewegungsenergie und damit höhere Geschwindigkeiten.

Bereits bei Temperaturen von etwa 10.000 Grad Celsius werden die Atome des Gases ionisiert. Dann bewegen sich Protonen und Elektronen getrennt voneinander. Diesen Zustand bezeichnet man als Plasma.

Mit Magnetfeldern lässt sich das Plasma (gelb) einschließen, ohne dass es mit den Wänden des Reaktors in Berührung kommt.

Dies erfordert großen und anspruchsvollen technischen Aufwand. Er ist aber nötig, denn an materiellen Wänden würde das Plasma sofort wieder abkühlen.

Um es auf die für die Fusion nötigen Temperaturen zu erhitzen, strahlt man hochfrequente Radio- oder Mikrowellen ein oder beschießt das Plasma mit Teilchenstrahlen.

Es hängt aber nicht allein von der Temperatur ab, ob das Plasma "brennt" und dann durch Fusion schließlich mehr Energie erzeugt als zum Aufheizen verbraucht wird.

Wichtig ist noch ein weiterer Faktor: eine ausreichende Dichte des Plasmas. Sie wird durch einen bestimmten Druck erreicht. Mit steigender Dichte nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass sich zwei Kerne treffen.

Außerdem spielt die "Energieeinschlusszeit" eine Rolle. Sie gibt an, wie gut das Plasma gegen Wärmeverluste isoliert ist.

Das mathematische Produkt, das aus diesen drei Faktoren errechnet wird, erreicht heute ein Fünftel des Wertes, bei dem sich eine Fusion energetisch lohnen würde.

Als Energiequelle hat die Kernfusion durchaus Vorteile: So fällt zum Beispiel die CO2-Bilanz nach einer Studie von 2001 ähnlich aus wie für Windkraft. Treibhausgase werden vor allem beim Reaktorbau verursacht.

Tritium jedoch - das ist ein Nachteil der Kernfusion - ist radioaktiv. Es muss also sichergestellt sein, dass es nicht aus der Anlage entweichen kann.

Außerdem aktivieren die freigesetzten Neutronen Reaktorbestandteile. Das Plasmagefäß strahlt und wird im Laufe der Zeit immer spröder. Daher müsste es regelmäßig ausgetauscht und nach Betriebsende sicher entsorgt werden.

Zurzeit werden Baustoffe entwickelt, die gewährleisten, dass das Reaktorgefäß "nur" einige hundert Jahre lang radioaktiv bleibt. (Aktuelle Kernkraftwerke strahlen mehrere tausend Jahre lang.)

Ein GAU, wie die Explosion des Kernkraftwerks Tschernobyl, droht bei einem Fusionskraftwerk nicht. Eine Kernfusion läuft nicht selbsttätig ab. Sobald die hohe Temperatur nicht mehr aufrechterhalten wird, endet die Reaktion.