Kernfusion - für immer eine Zukunftstechnologie?

Wie funktioniert Kernfusion?

Das Prinzip der Kernfusion ist einfach: man bringt zwei Atomkerne so nahe zueinander, dass ihre gegenseitige Abstossung aufgrund ihrer Ladung überwunden wird und sie unter Abgabe von Energie zu einem neuen Atomkern verschmelzen ("fusionieren"). Die Temperaturen, die nötig sind, um auf diese Art eine wirtschaftlich nutzbare Menge von Energie zu erzeugen, sind sehr hoch und bewegen sich im Bereich von vielen Millionen Grad Celsius.

Die Kernfusion funktioniert theoretisch mit allen Elementen bis hinauf zum Eisen (darüber braucht die Verschmelzung mehr Energie als sie hergibt: Die Atomkerne werden umso instabiler, je grösser sie sind - deshalb benutzt man auch das sehr schwere, aber vergleichsweise einfach spaltbare Uran, um Kernspaltungsreaktoren zu betreiben) - allerdings steigt die zur Fusion benötigte Temperatur mit der Masse der zu verschmelzenden Atomkerne steil an, da die Ladung - und damit die gegenseitige Abstossung der Atomkerne ebemfalls von der Masse abhängt (tatsächlich wäre die Kernfusion deshalb ein extrem unwahrscheinlicher Prozess - sie wird aber, glücklicherweise, durch den sogenannten Tunneleffekt vereinfacht - ohne diesen quantenmechanischen Effekt könnte in Sternen praktisch keine Kernfusion stattfinden).

Schon lange träumt man nun davon, diesen Effekt technisch nutzbar zu machen. Zwar ist die Kernfusion die Energiequelle der Wasserstoffbombe, dabei wird die Energie jedoch explosionsartig und unkontrolliert freigesetzt: um die Kunst kommerziell nutzbar zu machen, muss das Kunststück gelingen, die Energie langsam und kontrolliert freizusetzen, ähnlich wie in einem Atomkraftwerk im Gegensatz zur Atombombe. Dabei ist die Kernfusion im Allgemeinen "sauberer" als die Kernspaltung: es fällt, je nach verwendetem Brennstoff, nur wenig radioaktiver Abfall an. Eine Reaktorkatastrophe wie bei Kernspaltungsreaktoren ist unmöglich: Während man bei einem Kernspaltungsreaktor alles tun muss, um den Reaktor daran zu hindern, hochzugehen, muss man bei der Kernfusion alles tun, um den Brennstoff dazu zu bringen, überhaupt erst zu reagieren.

Die Suche nach dem geeigneten Brennstoff

Die einfachste Fusion, würde man meinen, wäre also die Fusion von Wasserstoff mit Wasserstoff. Das leichteste Isotop des Wasserstoffs, "Wasserstoff-1" oder "Protium", enthält nur ein Proton im Atomkern. Versucht man nun, zwei Protonen miteinander zu verschmelzen, stossen sie sich so stark ab, dass dies unter Bedingungen (Druck und Temperatur), wie wir sie künstlich herstellen können, nicht möglich ist. Deshalb verwendet man in technischen Anwendungen die schweren Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium: Deren zusätzliche Neutronen im Atomkern (1 Proton, 1 Neutron bei Deuterium, 1 Proton, 2 Neutronen bei Tritium) schirmen die Abstossung der Protonen voneinander ab und ermöglichen so eine Kernfusion auch bei tieferen Temperaturen.

Die einfachste Fusion ist jene von Deuterium und Tritium - dabei entsteht ein Helium-Atom (mit 2 Protonen, 2 Neutronen im Kern, deshalb auch "Helium-4" genannt) und ein freies Neutron. Stossen diese freien Neutronen dann mit anderen Stoffen zusammen (z.B. die Wand eines Fusionsreaktors), lösen sie weitere Kernreaktionen aus: das bestrahlte Material wird radioaktiv und muss entsorgt werden. Zudem ist Tritium radioaktiv und muss erst in konventionellen Atomkraftwerken durch die Bestrahlung von Lithium hergestellt werden, was ebenfalls für zusätzlichen radioaktiven Abfall sorgt. Deshalb denkt man auch über alternative Brennstoffe nach.

Zum Besipiel würde bei der Fusion von Helium-3 (2 Protonen, 1 Neutron) mit Deuterium (1 Proton, 1 Neutron) Helium-4 (2 Protonen, 2 Neutronen) plus ein Proton produziert. Da dieses Proton im Gegensatz zu Neutronen eine elektrische Ladung trägt, kann man es mit Magnetfeldern aufhalten und abbremsen, bevor es Schaden anrichten kann. Eine weitere, weitgehend "saubere" Möglichkeit (ohne radioaktive Abfälle) wäre die Deuterium-Deuterium-Reaktion. Beide Alternativreaktionen haben aber den Nachteil, dass sie wesentlich höhere Temperaturen benötigen, um nutzbar zu werden.

Im Gegensatz zu den konventionellen Energierohstoffen (Erdöl, Kohle, Uran) haben die Brennstoffe für die Kernfusion den Vorteil, dass sie allgegenwärtig und in gewaltigen Mengen vorhanden sind. Etwa eines unter 8700 Wasserstoff-Atomen ist ein Deuterium-Atom: Das Deuterium in den irdischen Meeren würde fast beliebig weit reichen. Wird Tritium verwendet, ist Lithium, aus dem das Tritium hergestellt wird, der limitierende Rohstoff: davon gibt es selbst in einfach zugänglichen Quellen genügend, um den Energiebedarf der Menschheit für zumindest die nächsten 1000 Jahre sicherzustellen. Lithium-Salze fallen darüber hinaus bei der Meerwasserentsalzung an, die in Zukunft ebenfalls eine wichtige Rolle spielen dürfte. Der Hauptvorteil von Lithium ist aber, dass es global praktisch gleichmässig verbreitet ist: im Gegensatz zum Erdöl konzentriert es sich nicht auf einige wenige Länder. Helium-3 hingegen ist auf der Erde extrem selten, kommt jedoch im Oberflächenstaub des Mondes sowie in den Atmosphären der Gasriesen häufig vor.

Verschiedene Wege, ein Ziel

Es wird auf verschiedenen Wegen versucht, das Ziel der kommerziell nutzbaren Kernfusion zu erreichen. Diese Wege sind verschieden weit fortgeschritten, und es ist unklar, welcher Weg (wenn überhaupt?) letztlich zum Ziel führen wird. Prinzipiell unterscheidet man die Kalte von der Heissen Fusion. Bei der weit herum akzeptierten Heissen FUsion wird der Brennstoff so lange aufgeheizt, bis die Fusion beginnt, während bei der spekulativeren Kalten Fusion Prozesse genutzt werden, die bei Raumtemperatur ablaufen können.

Magneteinschluss-Fusion

Dieser Typ von Fusionsreaktor basiert auf dem Prinzip der Heissen Fusion und ist wohl am besten erforscht. Dabei wird ein Brennstoff-Plasma (Plasma = Ionisiertes Gas) von Magnetfeldern eingeschlossen und geheizt. Sobald die Fusion beginnt, werden freiwerdende Strahlung und Teilchen genutzt, um Kühlwasser aufzuheizen, das dann widerum einen Generator antreibt. Die verbreitetste technische Umsetzung ist der "Tokamak": das Plasma ist hier in einem Torus ("Donut") eingeschlossen. Das internationale Projekt "ITER" (Internationaler, Thermonuklearer Experimenteller Reaktor), an dem sich die Europäer, die USA, Russland, China, Japan und Südkorea beteiligen, zielt darauf ab, die Machbarkeit der kommerziellen Kernfusion zu demonstrieren. Für rund 14 Milliarden Dollar wird nun in Caderache in Frankreich der Reaktor ITER gebaut. Der erste kommerzielle Fusionsreaktor, der, wenn alles gut geht, aus diesem Projekt hervorgehen soll, wird etwa 2040 ans Stromnetz gehen können. ITER wird mit einer Deuterium-Tritium-Fusion arbeiten. Ein weiterer Typ von Magneteinschluss-Fusion neben dem Tokamak ist der sog. Stellerator.

Farnsworth-Hirsch-Fusor

Dieser Fusionsreaktor (genannt "Fusor") ist vom Konzept her viel einfacher als die Magneteinschluss-Reaktoren (wie dieser basiert er auf der Heissen Fusion): Allerdings ist es bis heute nicht gelungen, damit einen Energieüberschuss zu erzielen. Diese Technik wird auch als "Inertial Electrostatic Confinement" (IEC) bezeichnet: Dabei werden Ionen durch Beschleuniger in eine Kammer geschossen. Die Wände der Kammer sind elektrostatisch geladen und halten die Ionen davon ab, mit den Wänden in Kontakt zu treten. Die Temperatur im Innern der Kammer ist in Abhängigkeit der Reaktorgrösse praktisch frei wählbar, das heisst, es wären prinzipiell auch schwerere Brennstoffe wie Bor oder gar Kohlenstoff denkbar. Ein weiterer Vorteil des Fusors ist, dass sich damit direkt Elektrizität erzeugen lässt, ohne den Umweg über Kühlwasser - dies erhöht die Energieeffizienz um etwa den Faktor 3. Der Fusor ist so einfach zu bauen, dass versierte Bastler überall auf der Welt ihn aufgrund von Plänen aus dem Internet selbst zusammenbauen können: doch bisher ist es noch keinem gelungen, damit einen Energieüberschuss zu erzielen. Im Mai 2006 behauptete der berühmte Physiker Robert Bussard (der sich den Bussard-Antrieb für interstellare Raumschiffe ausgedacht hatte), es sei ihm gelungen, eine Effizienzsteigerung vom Faktor 100000 zu erzielen. Aus den Gesetzen zur Skalierung von Fusoren ist bekannt, dass dies, bei entsprechender Grösse des Reaktors ausreichen würde, um Energie zu erzeugen. Allerdings wurden Bussard im Zug der amerikanischen Budget-Kürzungen alle Gelder gestrichen. Er glaubt aber, mit etwa 100 bis 200 Millionen Dollar und 10 Jahren Zeit einen funktionierenden, kommerziellen Fusor herstellen zu können.

Elektrochemische Fusion

Unter den Methoden zur Kalten Fusion ist vor allem die sogenannt "elektrochemische Fusion" bekannt. 1989 ging die Ankündigung um die Welt, es sei zwei Wissenschaftlern gelungen, Kalte Kernfusion zu realisieren, in dem Schweres Wasser (Wasser, dessen Moleküle aus zwei Deuterium- und einem Sauerstoffatom bestehen) durch eine Palladium-Matrix geleitet wurde. Dies hatte explodierende Palladium-Preise und ein riesiges Medienecho zur Folge. Tatsächlich liess sich die angebliche Fusion nicht überzeugend beweisen, und der übertriebene Hype gilt seither als Beispiel dafür, dass Kalte Fusion ein Hirngespinnst ist. Tatsächlich sind die Ergebnisse nicht ganz so eindeutig: So gibt es Experimente, die von Anzeichen für Fusion sprechen, während andere das Gegenteil zu zeigen scheinen. Zur Zeit interessiert sich das Departement of Energy der US-Regierung wieder für die Experimente und will sie einer erneuten, genaueren Prüfung unterziehen (die erste solche Prüfung hatte in den frühen 90er Jahren mit dem Ergebnis geendet, die Experimente seien nicht unter wissenschaftlichen Bedingungen durchgeführt worden).

Bläschen-Fusion (Sonofusion)

Dieser Fusionstyp (der ebenfalls zur Kalten Fusion gerechnet wird) funktioniert folgendermassen: In einer mit Deuterium angereicherten Flüssigkeit werden mit Hilfe von Ultraschallwellen kleine Bläschen erzeugt: diese kollabieren sofort wieder, wobei in ihrem Inneren erstaunlich hohe Temperaturen und Drücke auftreten. Bekannt ist, dass die Temperaturen 10000 °C überschreiten können, aber Forschern in den USA ist es angeblich gelungen, diese Temperaturen auf viele Millionen Grad hochzutreiben, so dass Fusionsprozesse in Gang kamen. Auch hier wieder wurden die Ergebnisse angezweifelt. Selbst, wenn sich diese Ergebnisse aber bestätigen sollten, ist nicht klar, ob es möglich wäre, auf diese Weise tatsächlich Energie zu gewinnen.

Myon-katalysierte Fusion

Myonen sind instabile Teilchen (ihre Halbwertszeit beträgt etwa 2 Mikrosekunden), die den Elektronen ähneln und eine negative Ladung tragen. Wegen ihrer negativen Ladung können sie in Atomen die Elektronen in der Atomhülle ersetzen. Durch ihre höhere Bindungsenergie rückt die Atomhülle deutlich näher an den Kern heran, so dass die Fusion von zwei Atomen, in deren Hüllen sich Myonen befinden, viel wahrscheinlicher wird als mit Elektronen. Die Kerne fusionieren, und die Myonen werden dabei freigesetzt und stehen für weitere Kernfusionsreaktionen zur Verfügung, so lange, bis sie zerfallen. Das Myon ist damit kein Reaktionspartner, sondern eine Art Katalysator, der die Fusion der Teilchen vereinfacht. Theoretisch könnte ein Myon etwa 2000 Fusionsreaktionen katalysieren, bevor es zerfällt: die dabei freigesetzte Energie würde den Energieaufwand für die Erzeugung von Myonen weit übertreffen: man hätte eine Netto-Energiequelle. In Versuchen wurden bis zu 100 katalysierte Fusionsreaktionen erreicht. Leider tendiert das Myon dazu, in einer Minderzahl der Fälle am Fusionsprodukt (z.B. Helium) hängenzubleiben - diese Myonen werden aus der Katalyse entfernt und zerfallen ungenutzt. Gelänge es, die Myonen daran zu hindern, am Fusionsprodukt hängenzubleiben, ihre Lebensdauer (und damit die Anzahl katalysierter Fusionen) zu erhöhen oder den Energieaufwand für die Herstellung von Myonen zu verringern, wäre die kommerzielle Nutzung möglich. Zur Zeit besteht jedoch wenig Hoffnung, dass diese Probleme in nächster Zeit gelöst werden könnten.

Kommt die Kernfusion noch rechtzeitig?

Von all den genannten technischen Annäherungen an die kommerzielle Kernfusion ist wohl der Magnetfeldeinschluss-Ansatz am weitesten entwickelt. Der Bau von ITER ist vereinbart, bereits in diesem Jahr beginnen die ersten Bauarbeiten. 2016 soll erstmals ein Plasma im Reaktor erzeugt werden, für 2020 ist die erste Fusionsreaktion geplant, danach sind noch zwei weitere Zwischenschritte bis zum ersten kommerziellen Reaktor vorgesehen, der 2040 ans Netz gehen soll. Kommt die Kernfusion damit rechtzeitig, um die kommende Energiekrise abzuwenden? In den kommenden Jahren steht Peak Oil an, das Allzeit-Maximum der globalen Erdölförderung. Danach werden die Erdölpreise stetig steigen, die Klammer zwischen sinkendem Energieangebot und steigender Energienachfrage (so lange die Weltwirtschaft wächst, wird ihr Energiebedarf steigen) wird sich stetig weiter öffnen. 2040 ist also vermutlich zu spät: Wenn die Kernfusion tatsächlich bereits zu diesem Zeitpunkt realisiert wird, wird sie vermutlich eine gut dreissigjährige weltweite Rezession beenden. Zurzeit bestehen aber kaum Aussichten, dass eines der anderen vorgestellten Verfahren früher zum Erfolg führen könnte: Die angeblichen Erfolge mit dem Farnsworth-Hirsch-Fusor sind noch nicht überprüft oder bestätigt, genauso dubios und unklar sieht die Situation zurzeit bei der Bläschen-Fusion aus. Der elektrochemischen Fusion gebe ich die geringsten Chancen, da hier nicht einmal ein Modell existiert, nach der sie ablaufen könnte: Nach allem, was wir wissen, dürfte dieser Fusionstyp gar nicht funktionieren. Mein "Geheimfavorit" für die Kalte Fusion ist nach wie vor die Myon-katalysierte Fusion, auch wenn dafür einige technische Durchbrüche nötig wären, die heute noch nicht absehbar sind. Eine Gesellschaft aber, die die Myon-katalysierte Fusion beherrscht, könnte überall dort, wo es Wasserstoff und Helium gibt (angesichts dessen, dass dies die zwei häufigsten Elemente im Universum sind, könnte man auch gleich schreiben: überall!), Energie in unglaublichen Mengen erzeugen, und das mit vergleichsweise einfacher Technik. Wenn Antimaterie das Tor zum Sonnensystem ist, dann ist die Kalte Fusion der Schlüssel zum Universum.

Eine Möglichkeit haben wir aber bisher nicht bedacht: Was, wenn die komerzielle Kernfusion unmöglich bleibt? Was, wenn es nicht gelingt, mit ITER Netto-Energie zu erzeugen, wenn sich herausstellt, dass die Magneteinschluss-Fusion bei allen Reaktorgrössen nicht funktioniert? Was, wenn sich auch alle Kalten Fusionstypen letztlich als nicht realisierbar heraus stellen, und auch der Fusor nicht mehr Energie liefern kann, als hineingesteckt wird? Dann wird die Zivilisation damit leben lernen müssen, dass plötzlich sehr viel weniger Energie zur Verfügung steht, als benötigt würde. Nach dem Ende der fossilen Rohstoffe bliebe nur die rechtzeitige Umstellung auf erneuerbare Energiequellen, die bemannte Erforschung und Besiedlung des Sonnensystems könnte auch gleich gestrichen werden. Je nach dem, wie wir uns bei diesem schwierigen Umwandlungsprozess halten, könnte es auch sein, dass unsere Zivilisation zurück fällt in ein dunkles Zeitalter, bevor, Jahrhunderte oder Jahrtausende in der Zukunft, der Phönix der Zivilisation wieder aufersteht.

Interessant, dass sich im Verlauf der kommenden zehn, zwanzig Jahre defintiv entscheidet, welchen Weg wir nehmen werden, je nach dem, wie die ITER-Experimente ausgehen. Wir leben wirklich in interessanten Zeiten.

Das ITER-Projekt
Wikipedia: Kernfusion
Die wichtigsten Kernbrennstoffe