Bei der Kernfusion oder auch Kernverschmelzung werden Atome durch Plasma fusioniert, um Energie zu liefern. Noch gibt es aber keine kommerzielle Nutzung, da die Forschung noch nicht ausgereift ist.

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Noch ist der Fusionsreaktor Zukunftsmusik, aber in naher Zukunft könnte er das Energieproblem der Erde lösen. Bei der Kernfusion geht es darum, dass aus der Verschmelzung von Atomkernen Strom gewonnen werden kann.

Wie funktioniert ein Fusionsreaktor?

Die Brennstoffe Deuterium und Tritium werden innerhalb eines Tokamaks dazu gebracht zu fusionieren. Das Tokamak ist ein donutförmiger hohler Metallring, durch den ionisiertes Plasma mit einer Hitze von über 100 Mio. Grad wirbelt. Damit das Plasma nicht die Wände verbrennt, muss es mittels Magnetfeld in der Schwebe gehalten werden. Auch wird es mittels Magnetfeld entzunden.

Verwendet werden dabei die Wasserstoffarten Deuterium und Tritium, weil sie am leichtesten fusionieren. Außerdem gibt es beide Brennstoffe überall auf der Erde: Deuterium ist in riesigen Mengen im Meerwasser. Das radioaktive Gas Tritium kann mit Lithium gebildet werden und hat eine Halbwertszeit von 12,3 Jahren – was es deutlich weniger gefährlich macht, als etwa die radioaktiven Stoffe in der Atomkraft. Zum Vergleich: Bei Plutonium-239 dauert es 24.110 Jahre bis die Hälfte der vorhandenen Atomkerne zerfallen ist, bei Uran-238 stolze 4.468.000.000 Jahre.

Die Verschmelzung gebiert einen Heliumkern, ein Neutron wird frei und es entstehen riesige Mengen Wärme. Diese erhitzt Wasserdampf, der eine Turbine antreibt – ganz wie bei einem Wärmekraftwerk auch, nur in einem bedeutend größeren Ausmaß. Denn ein Gramm Wasserstoff könnte theoretisch 90 000 Kilowattstunden Strom erzeugen. Das entspricht einer Verbrennungswärme von 11 Tonnen Kohle!

Greenwald-Grenze und Energiebilanz

Noch ist der Materialaufwand und Energieaufwand zu hoch – es wird zumeist mehr Energie hineingesteckt, als herauskommt. Ein Problem ist dabei die sogenannte Greenwald-Grenze. Einfach erklärt: Je nach Größe der Tokamaks passt nur eine gewisse Menge an Brennstoff hinein. Je mehr Brennstoff, desto mehr Energie kann auch frei werden. Ist das Limit erreicht, gerät der Reaktor außer Kontrolle und das Plasma beschädigt die Reaktorwände. Das ist das sogenannte Greenwald-Limit, benannt nach seinem Entdecker, dem US-Physiker Martin Greenwald.

Bislang wurde diese Grenze nur selten überschritten - und dies um den Faktor 2. Forschungserfolge bei Plasma und Stabilität gab es etwa beim chinesischen Forschungsreaktor „künstliche Sonne“, beim südkoreanischen KSTAR oder auch beim französischen ITER, der bereits zehn Mal mehr Energie produzieren soll, als der Reaktor verschlingt. Für die kommerzielle Nutzung der Fusionsenergie sind allerdings noch höhere Wirkungsgrade notwendig.

In den USA wurde 2024 mit dem Reaktor Madison Symmetric Torus (MST) ein neuer Meilenstein erreicht. Dort ist es gelungen, einen Forschungsreaktor mit der 10-fachen Plasmadichte des Greenwald-Limits stabil zu betreiben.

( Artikel veröffentlicht: 08.08.2024 )