Kernfusion: Die Physik, die Maschinen und die technische Lücke
Fusion ist die Reaktion, die jeden Stern antreibt - und die einzige Energiequelle, die seit siebzig Jahren zwanzig Jahre entfernt ist und zugleich näher als je zuvor. Beides stimmt, und der Grund hat weniger mit der Physik der Reaktion zu tun als mit Werkstoffkunde und der Verfügbarkeit von Tritium.
Warum Fusion überhaupt Energie freisetzt
Jeder Atomkern liegt irgendwo auf einer Kurve der Bindungsenergie pro Nukleon. Eisen sitzt an deren tiefstem Punkt, dem stabilsten Ort. Kerne leichter als Eisen können durch Verschmelzen Energie abgeben, Kerne schwerer als Eisen durch Spaltung. Diese eine Kurve erklärt, warum Kernspaltung mit Uran funktioniert, Fusion mit Wasserstoff - und warum mit Eisen nichts funktioniert.
Die auf der Erde am leichtesten erreichbare Reaktion verbindet Deuterium und Tritium, zwei schwere Wasserstoffisotope. Es entstehen ein Heliumkern und ein schnelles Neutron, und die Produkte wiegen zusammen etwa 0,4 Prozent weniger als die Ausgangsstoffe. Multipliziert mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit trägt ein Gramm Brennstoff damit ungefähr die Energie von acht Tonnen Öl.
Das Hindernis ist elektrostatisch. Beide Kerne sind positiv geladen und stoßen einander ab, und die Abstoßung wächst steil, je näher sie kommen. Sie zu überwinden verlangt rund 100 Millionen Grad - fast das Zehnfache des Sonnenzentrums, denn die Sonne gleicht das mit einem Gravitationsdruck aus, den keine Maschine erreicht, und lässt sich Milliarden Jahre Zeit. Ein Kraftwerk hat diese Zeit nicht.
Zwei Wege, ein Plasma zu halten
Bei diesen Temperaturen ist Materie ein Plasma: Kerne und Elektronen bewegen sich getrennt, und kein materieller Behälter kann es berühren, ohne zerstört zu werden und das Plasma augenblicklich abzukühlen. Es gibt zwei Strategien, und sie unterscheiden sich darin, wie lange sie wirken müssen.
Der magnetische Einschluss nutzt, dass geladene Teilchen entlang magnetischer Feldlinien spiralen. Ein Tokamak biegt diese Linien zu einem Torus, sodass die Teilchen umlaufen, ohne eine Wand zu treffen. ITER, im Bau in Südfrankreich als Gemeinschaftswerk von 35 Staaten, ist das größte Beispiel - eine 23.000 Tonnen schwere Maschine, ausgelegt auf 500 Megawatt Fusionsleistung aus 50 Megawatt Heizleistung. Stellaratoren wie Wendelstein 7-X in Deutschland erzeugen dieselbe Verdrillung durch aufwendig geformte Spulen statt durch einen Plasmastrom - schwerer zu bauen, leichter dauerhaft zu betreiben.
Der Trägheitseinschluss geht umgekehrt vor: Ein Brennstoffkügelchen wird so heftig komprimiert, dass es fusioniert, bevor es auseinanderfliegen kann. Die National Ignition Facility in Kalifornien bündelt 192 Laserstrahlen auf eine Kapsel von wenigen Millimetern, und das ganze Ereignis dauert Nanosekunden. Die Technik wurde ebenso für Waffenphysik wie für Energie entwickelt, was prägt, worauf die Anlage optimiert ist.
Keiner der beiden Wege ist eine Randerscheinung. Beide haben Jahrzehnte Arbeit aufgenommen, und ihre technischen Probleme unterscheiden sich so deutlich, dass offen bleibt, welcher zuerst ein Kraftwerk erreicht.
Was im Dezember 2022 geschah
Am 5. Dezember 2022 lieferte die NIF 2,05 Megajoule Laserenergie an eine Brennstoffkapsel, und die Kapsel gab 3,15 Megajoule ab. Zum ersten Mal gab eine Fusionsreaktion im Labor an dieser Grenze mehr zurück, als hineingesteckt wurde. Das Ergebnis ist echt und wurde in späteren Schüssen mit höherer Ausbeute wiederholt.
Die Grenze ist entscheidend. Die Laser selbst zogen mehrere hundert Megajoule aus dem Netz, um diese 2,05 zu liefern, denn blitzlampengepumpte Glaslaser sind konstruktionsbedingt ineffizient - die NIF wurde auf Präzision gebaut, nicht auf Wirtschaftlichkeit. Von der Steckdose aus gerechnet verbrauchte der Schuss rund das Hundertfache dessen, was er freisetzte.
Das ist kein Einwand gegen das Ergebnis, sondern genau das, was es messen sollte. Wissenschaftlicher und technischer Breakeven sind getrennte Schwellen, und das Fachgebiet hat sie immer unterschieden. Der Schuss von 2022 überschritt die erste. Die zweite hat bislang keine Maschine überschritten.
Was noch fehlt
Tritium ist das Erste. Seine Halbwertszeit liegt bei etwa zwölf Jahren, es kommt also natürlich nicht in nutzbaren Mengen vor, und der zivile Weltvorrat beträgt einige Dutzend Kilogramm, größtenteils Nebenprodukt kanadischer Schwerwasserreaktoren. Ein Fusionskraftwerk muss sein Tritium selbst erbrüten, indem es die eigenen Neutronen in einem Lithiummantel einfängt. Die Chemie funktioniert im Grundsatz und wurde in einem geschlossenen Kreislauf im Kraftwerksmaßstab nie demonstriert.
Werkstoffe sind das Zweite. Die Neutronen, die den größten Teil der Energie tragen, sind weit energiereicher als die eines Spaltreaktors und verschieben Atome in dem Stahl, den sie durchqueren. Über Betriebsjahre hinweg lässt das die Wand aufquellen und verspröden. Kandidatenlegierungen gibt es; eine Anlage, die sie unter realistischen Bedingungen prüfen kann, wird noch gebaut.
Dauerbetrieb ist das Dritte. Ein Tokamak-Plasma läuft in der Regel gepulst, eine Laseranlage schießt einige Male am Tag, während ein Kraftwerk monatelang laufen muss. Diese Lücke zwischen Physikexperiment und einer Maschine, die ihren eigenen Unterhalt trägt, ist der größte Teil der verbleibenden Arbeit - und es ist dieselbe Unterscheidung, die in jeder Energietechnologie ein Laborergebnis von einem Produkt trennt, auch bei denen, die noch in der Forschung stehen.
Seit etwa 2020 sind private Unternehmen in großer Zahl ins Feld eingetreten und verfolgen kleinere Maschinen mit Hochtemperatur-Supraleitern, die es bei der Auslegung von ITER noch nicht gab. Ob das den Zeitplan verkürzt, ist eine offene und keine entschiedene Frage.
Häufige Fragen
Ist Fusion dasselbe wie die Reaktion in heutigen Kernkraftwerken?
Nein. Heutige Kraftwerke nutzen Spaltung, die schwere Kerne wie Uran-235 zerlegt. Fusion verschmilzt leichte Kerne. Beide liegen auf entgegengesetzten Seiten der Bindungsenergiekurve, nutzen andere Brennstoffe und erzeugen andere Reststoffe - bei Fusion entstehen keine langlebigen Spaltprodukte, wohl aber wird die Reaktorstruktur durch Neutronen aktiviert.
Wurde 2022 ein Energiegewinn erreicht?
An der Brennstoffkapsel ja: 3,15 Megajoule heraus für 2,05 hinein. Vom Stromnetz aus gerechnet nein - die Laser verbrauchten rund das Hundertfache dessen, was die Reaktion freisetzte. Beide Zahlen stimmen; sie messen verschiedene Grenzen, und diese Unterscheidung ist im Fach üblich.
Warum braucht Fusion höhere Temperaturen als das Sonneninnere?
Die Sonne hält ihr Plasma mit gewaltigem Gravitationsdruck zusammen und hat es nicht eilig - ein einzelnes Proton kann Milliarden Jahre auf seine Reaktion warten. Ein Kraftwerk braucht die Reaktionen jetzt, bei Drücken, die eine Maschine erzeugen kann, und gleicht das mit Temperatur aus: rund 100 Millionen Grad gegen 15 Millionen in der Sonne.
Ist Fusion radioaktiv?
Der Brennstoffkreislauf enthält Tritium, das radioaktiv, aber kurzlebig und energiearm ist. Die Reaktion erzeugt keine langlebigen Spaltprodukte. Die Reaktorstruktur wird durch Neutronenaktivierung radioaktiv, und der Umgang damit gehört zur Auslegung - die Zeiträume liegen typischerweise bei Jahrzehnten statt bei den Jahrtausenden, die man mit Spaltabfall verbindet.
Wann liefert Fusion Strom?
ITER soll die Physik im Kraftwerksmaßstab zeigen, nicht Strom erzeugen; ein Demonstrationskraftwerk käme danach. Veröffentlichte nationale Fahrpläne nennen die zweite Hälfte dieses Jahrhunderts, mehrere private Unternehmen zielen auf die 2030er Jahre. Das sind Ziele, keine Termine - und die Fragen zu Tritium und Werkstoffen sind der Grund dafür.
