Wer im Sommer der Frage nachgeht, woher die Hitze kommt, landet letztlich bei der Kernfusion. Ob Energiegewinnung wie auf der Sonne auch auf der Erde möglich ist, beschäftigt Wissenschaftler seit Jahrzehnten. Ende 2022 gelang ein Durchbruch mit einer sich selbst tragenden Kernfusionsreaktion im Labor. Seitdem wächst die Hoffnung, auf eine neue Weise emissionsarm Strom zu erzeugen. Das Akademienprojekt ESYS – Energiesysteme der Zukunft hat den aktuellen Stand der Forschung analysiert und in der Publikation ESYS-Impuls: „Kernfusion als Baustein einer klimaneutralen Energieversorgung? Chancen, Herausforderungen, Zeithorizonte“ veröffentlicht. Darin dämpfen die Autoren die Erwartungen auf eine schnelle Umsetzung, halten aber langfristig Kernfusionskraftwerke nicht für unrealistisch.
Ziel der Kernfusionsforschung ist eine klimafreundliche und kontinuierlich verfügbare Energiequelle mit geringem Flächenbedarf und aus vor Ort verfügbaren Brennstoffen. Ein Fusionskraftwerk funktioniert ähnlich wie ein Wärmekraftwerk. Anstelle einer Verfeuerung eines Brennstoffs sorgt ein Fusionsreaktor für die nötige Energie. Eine Kernfusion benötigt zum Start viel Energie, soll letztlich aber mehr liefern als eingesetzt wird.
Verschmelzung von Atomkernen im Plasma
Technisch funktioniert der Fusionsprozess so, dass Atomkerne mit einer geringen Anzahl an Nukleonen miteinander verschmolzen werden. Es entstehen Elemente mit einer höheren Nukleonenanzahl und damit einer höheren Bindungsenergie im Kern. So können beispielsweise zwei Wasserstoff-Atomkerne zu Helium-Atomkernen fusionieren.
Um diesen Prozess zu starten, sind Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius nötig: Im Aggregatzustand eines Plasmas liegen Atome in ionisierter Form vor und Elektronen sind frei beweglich. Bei niedrigeren Temperaturen verhindern hingegen Abstoßungskräfte, dass die Kerne miteinander zu einem neuen Element verschmelzen.
Vorteile im Vergleich zur Kernspaltung
Gegenüber der bisher in Kraftwerken betriebenen Kernspaltung hat eine Fusion einen sicherheitstechnischen Vorteil: Eine unkontrollierbare Kettenreaktion wird ausgeschlossen. Sobald Temperatur oder Druck zu gering sind, erlischt die Kernfusionsreaktion innerhalb kürzester Zeit.
Quelle: ESYS
Die Idee der Kernfusion ist nicht neu. Allerdings gelang es Ende 2022 erstmals an der National Ignition Facility in Kalifornien, eine Kernfusion im Labor zu realisieren, bei der mehr Energie gewonnen werden konnte, als zuvor für den Start in die Reaktorkammer eingebracht wurde. Die physikalischen Prozesse gelten seitdem als verstanden. Allerdings muss die Menge an eingesetzter Energie im Verhältnis zum Output für eine wirtschaftliche Anwendung noch deutlich effizienter werden.
Zudem sind bis zu einem Einsatz für die Energieerzeugung noch weitere Probleme zu lösen: Dazu gehört insbesondere die Bereitstellung des Brennstoffs Tritium und die Entwicklung von Materialien, die hohen Temperaturen und einen Neutronenbeschuss standhalten. Außerdem werden hochleistungsfähige Laser oder effiziente Hochfeldmangnetspulen benötigt.
Vier Start-ups forschen in Deutschland
ESYS beobachtet aktuell eine beschleunigte Dynamik in der Kernfusionsforschung. Immer mehr Unternehmen und Start-ups engagieren sich in diesem Bereich. Derzeit existieren 43 Start-ups, von denen die meisten in den USA ansässig (25) sind, gefolgt von Europa (9), Asien (5) sowie Australien, Israel, Kanada und Neuseeland (jeweils 1). Auch in Deutschland beschäftigen sich Start-ups mit der Anwendung der anspruchsvollen Technologie.
Quelle: ESYS
Verschiedene Verfahren – unterschiedliche Eigenschaften
Eine Kernfusion lässt sich mit verschiedenen Verfahren erreichen. Der Einsatz eines Stellarators hat sich dabei als besonders vielversprechende Technologie entwickelt, so dass auch größere Industrieunternehmen in ganz Europa Investitionen tätigen: Der Stellerator zeichnet sich durch eine besondere Skalierbarkeit bei der Kernfusion aus und macht die Anwendung in einem Großkraftwerk wahrscheinlicher als das alternative Tokamakverfahren, was nicht im Dauerbetrieb möglich ist.
Quelle: ESYS
In den USA wird mit der Trägheitsfusion über einen Laser ein weiteres Verfahren voran getrieben.
Quelle: ESYS
Ob eines der Verfahren künftig in einem Kraftwerk zum Einsatz kommen wird, ist noch offen:
„Die Kernfusionsforschung bewegt sich im Bereich der Grundlagen- und
teilweise der angewandten Forschung. Ein finales Kraftwerkskonzept gibt
es noch für keines der beiden Fusionskonzepte.“
Ein möglicher Betrieb von Kernfusionskraftwerken liegt nach Einschätzung der Studie noch mindestens zwanzig bis dreißig Jahre in der Zukunft. Zunächst geht es um den Aufbau von Pilotanlagen.
Abgesehen von den technischen Fragen der Anlage, gibt es auch ökonomische Unsicherheiten zum wirtschaftlichen Betrieb und der Rolle von Großkraftwerken, die kontinuierlich liefern, während ein Großteil der Anlagen nach den Gegebenheiten von Sonne- und Wind produziert. Diese Aspekte sind für mögliche Kraftwerksinvestoren ebenfalls relevant.
Insgesamt erwartet ESYS von der Kernfusion kurzfristig keinen Beitrag, um die Klimaziele in Deutschland zu erreichen:
„Langfristig könnte die Kernfusion Strom in einem klimaneutralen Energiesystem bereitstellen, die Importabhängigkeiten verringern und beispielsweise zur Wasserstofferzeugung genutzt werden. Bis zu einem ersten regulären Kraftwerk ist es jedoch noch ein weiter Weg.“
Wissenschaftsverbund sucht Lösungen für die Energiewende
Im Akademienprojekt „Energiesysteme der Zukunft“ (ESYS) erarbeiten mehr als 160 Fachleute aus Wissenschaft und Forschung Handlungsoptionen zur Umsetzung einer sicheren, bezahlbaren und nachhaltigen Energieversorgung. Die Initiative unter Federführung von acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften in Zusammenarbeit mit der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina und die Union der deutschen Akademien der Wissenschaften wurde im April 2013 gestartet und wird bis Dezember 2024 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
