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Die Menschheit verfolgt seit Langem den Traum von der Kernfusionsenergie. Die Kernspaltung beherrschen wir seit Jahrzehnten, und die Kernenergie hat uns seither gute Dienste geleistet – abgesehen von ihrem schlechten Ruf. Wenn Kernkraftwerke versagen, wie in Tschernobyl und Fukushima, sind die Folgen gravierend.
Trotz schwerer Unfälle zählt die Kernenergie neben Solar- und Windenergie zu den sichersten verfügbaren Energiequellen. Sie verursacht 99,91 % weniger Todesfälle als Kohle. Öl und Gas sind fast genauso gefährlich wie Kohle. Kernenergie, insbesondere moderne Kernkraftwerke, ist weitaus effizienter als alle anderen Energiequellen.
Moderne Kernenergie ist auch hinsichtlich der Abfallerzeugung hocheffizient. Der Großteil des Abfalls kann recycelt werden, und Kernkraftwerke produzieren lediglich 3 Kubikmeter Abfall pro Betriebsjahr. Im Vergleich dazu erzeugt ein Kohlekraftwerk im gleichen Zeitraum 300.000 Tonnen Asche und sechs Millionen Tonnen CO₂.
All das lässt Kernenergie äußerst verlockend klingen. Stellen Sie sich nun vor, Fusionsenergie anstelle von Kernspaltung zu nutzen. Vierfache Energie der Kernspaltung, und das einzige Abfallprodukt ist Helium, das nicht radioaktiv ist. Vier Millionen Mal so viel Energie wie Kohle.
Vielleicht haben Sie schon einmal gehört, dass Kernfusion unerschöpfliche Energiequelle sei. Das ist nicht weit von der Wahrheit entfernt, wären da nicht die potenziellen Kosten. Doch wenn wir diese Hindernisse überwinden und die Kernfusion beherrschen, werden wir die Welt für immer verändern. Aber so weit sind wir noch nicht.
Die Entwicklung von Fusionsreaktoren begann bereits 1939, doch es ist offensichtlich, dass keine nennenswerten Fortschritte erzielt wurden. Wir verstehen die Vorteile und die wissenschaftlichen Grundlagen, aber die praktische Umsetzung lässt noch auf sich warten. Wir können zwar Fusionsreaktionen erzeugen, aber es gelingt uns bisher nicht, sie aufrechtzuerhalten und zu nutzen. Wird es also jemals so weit kommen? Wir werden sehen!
Was ist Fusion?
Fusionsenergie, so schwierig ihre Erzeugung auf der Erde auch sein mag, ist durchaus real und plausibel. Sie ist die Energiequelle der Sonne. Der hohe Druck und die hohe Temperatur der Sonne ermöglichen die Verschmelzung von Wasserstoffatomen, wobei Helium als Nebenprodukt entsteht. Die bei dieser Reaktion freigesetzte Energie macht die Sonne zu der riesigen, gleißenden Plasmakugel, die wir täglich am Himmel sehen.
Die Kernspaltung, die in modernen Kernreaktoren und Kernwaffen stattfindet, ist eine Aufspaltung des Atomkerns, keine Kernfusion. In beiden Fällen wird enorme Energie freigesetzt, da die Masse des entstehenden Kerns kleiner ist als die Masse der reagierenden Kerne.
Die Sonne wird eines Tages erlöschen, wenn ihr der Brennstoff ausgeht, den sie zum Überleben braucht, aber im Moment verfügt sie über genug Wasserstoff für weitere fünf Milliarden Jahre, sodass dies für uns in absehbarer Zeit kein großes Problem darstellen wird.
Damit Kernfusion hier auf der Erde funktioniert, benötigen wir eine Reaktion, die mehr Energie liefert, als wir ihr zuführen. Genau das ist das Problem. Die Initiierung einer Kernfusionsreaktion erfordert sehr viel Energie. Dazu muss ein Plasma erzeugt werden, ein extrem heißes Gas, das mit geladenen Teilchen gefüllt ist. Fast jeder bisherige Versuch, Kernfusion auszulösen, benötigte mehr Energie, um den für die Plasmabildung notwendigen Druck und die Temperatur zu erzeugen, als wir in der winzigen, anschließenden Kernfusionsreaktion selbst erzeugen konnten. Man darf nicht vergessen, dass die Sonne 333.000 Mal größer ist als die Erde, daher sind Druck und Temperatur dort (die bis zu 27 Millionen Grad erreichen) deutlich niedriger.
Ist es überhaupt möglich, einen thermonuklearen Generator zu bauen?
Kernfusion ist auf der Erde möglich, aber schwierig. Der Druck auf der Sonne beträgt 24,7 Millionen Gigapascal. Zum Vergleich: Wissenschaftler erzeugten einst im Labor einen Druck von 770 Gigapascal, was international für Aufsehen sorgte. Dies ist ein grundlegendes Hindernis, um Kernfusion hier genauso einfach wie auf der Sonne zu realisieren. Wir können diesen Druck nicht einmal annähernd erreichen. Das bedeutet, wir müssen die Temperatur erhöhen, was jedoch viel mehr Energie erfordert und die Reaktion zerstört. Reicht die zur Erzeugung der Kernfusion benötigte Energie nicht aus, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, ist sie nutzlos.
Erinnern Sie sich, dass wir gesagt haben, die Sonne könne Temperaturen von bis zu 27 Millionen Grad erreichen? Das klingt beeindruckend, bis man hört, was wir in Laboren tun müssen, um Kernfusion zu erzeugen. Auf der Erde erhitzen wir Plasma mithilfe von Lasern, um den fehlenden Druck auszugleichen, auf 100 Millionen Grad.
Dieses Verfahren funktioniert, und wir haben die Kernfusion bereits viele Male erfolgreich im Labor eingesetzt. Das Problem ist, dass das Erreichen von Temperaturen von 100 Millionen Grad mehr Energie erfordert, als die Kernfusion erzeugen kann. Es ist außerdem anzunehmen, dass die Kernfusion, sobald sie ein praktikables Niveau erreicht hat, zunächst extrem teuer sein wird. Dies stellt ein ernsthaftes Hindernis für den Traum von unbegrenzten Energieressourcen dar.
Weltweit arbeiten derzeit etwa 20 Fusionsreaktoren an der Entwicklung einer nachhaltigen Fusionsreaktion, die nicht mehr Energie benötigt, als sie erzeugt. Im Jahr 2022 gelang Wissenschaftlern dies erstmals. Sie nutzten zwei Megajoule Energie, um 200 Laser auf eine einzelne Brennstoffkapsel zu richten. Die Fusionsreaktion setzte ein und produzierte 3,15 Megajoule Energie. Dies ist eine kleine, aber erfolgreiche Reaktion. Sie wurde dreimal wiederholt, wobei einmal 3,88 Megajoule Energie erzeugt wurden, was beweist, dass es sich nicht um einen Zufall handelte.
Ebenfalls im Jahr 2022 stellte ein Labor in China den Rekord für die längste anhaltende Reaktion auf: Die Reaktion dauerte 17 Minuten bei einer Temperatur von 126 Millionen Grad Celsius. Später erzeugte ein Labor in Großbritannien 59 Megajoule an anhaltender Energie und verdoppelte damit den vorherigen Rekord. Im Jahr 2024 wurden 69 Megajoule produziert. In der Praxis ist das nicht viel – genug für gerade einmal vier heiße Bäder. Es gibt mehrere Pläne, bis 2030 funktionierende Fusionsgeneratoren zu entwickeln.
Damit dies wirtschaftlich realisierbar wird, muss die Produktionsmenge deutlich erhöht werden. Die Stromversorgung von Städten erfordert die Erzeugung wesentlich höherer Energiemengen. Doch die Aussichten sind vorhanden, und es wird erwartet, dass dies bald der Fall sein wird.
Warum wollen wir das so sehr?
Es ist kein Wunder, dass die Kernfusion als potenziell unerschöpfliche Energiequelle bezeichnet wird. Sie basiert auf Wasserstoff, dem häufigsten Element im Universum.
Angenommen, wir hätten eine Anlage, eine Art Fusionsreaktor, der stabil und zuverlässig wäre und hocheffiziente Fusionsenergie erzeugte. Ein Liter Meerwasser würde genügen, um die Energie von 300 Litern Benzin zu gewinnen. Kohle, die schmutzigen Rauch produziert, oder Uran, das Strahlung abgibt, wären überflüssig. Nur sauberer, kostengünstiger Brennstoff ohne gefährliche Nebenprodukte.
Solar- und Windenergie zeichnen sich ebenfalls durch saubere Energieerzeugung aus, können aber nicht im gleichen Maßstab wie die Kernfusion betrieben werden. Wind- und Solarenergie benötigen deutlich mehr Infrastruktur, beispielsweise Solaranlagen und Windkraftanlagen. Zudem sind Solar- und Windenergie wetterabhängig, im Gegensatz zur Kernfusion.
Der Hauptvorteil der Fusionsenergie liegt in ihrem positiven Einfluss auf das Klima. Fusionsenergie beseitigt effektiv die Umweltverschmutzung durch moderne Energiequellen, insbesondere fossile Brennstoffe. Wir könnten die Produktion vieler gefährlicher Emissionen eindämmen. Die Klimakrise könnte potenziell durch Fusionsenergie gelöst werden. Unternehmen, die in Fusionsenergie investieren, prognostizieren, dass wir bis 2050 Klimaneutralität erreichen können.
Ein weiterer großer Vorteil ist die deutlich höhere Energieeffizienz der Kernfusion im Vergleich zu allen bisherigen Energieerzeugungsmethoden. Die Energieerzeugung ist vier Millionen Mal effizienter als in einem Kohlekraftwerk, wodurch der Einsatz von Kohle praktisch unpraktisch wird.
Obwohl die Kernspaltung derzeit die beste verfügbare Option darstellt, ist die Kernfusion nicht nur hinsichtlich der Energieerzeugung, sondern auch in puncto Sicherheit deutlich überlegen. Die größten Nachteile heutiger Kernkraftwerke sind das Unfallrisiko und das Abfallproblem. Fusionsreaktoren beseitigen beide Probleme. Es entsteht kein gefährlicher Abfall, und Unfälle im Kraftwerk sind ausgeschlossen.
Fusionskraftwerke benötigen unglaublich geringe Mengen an Brennstoff; die Menge an Deuterium oder Tritium, die verwendet wird, entspricht etwa der Größe einer Briefmarke. Sollte es zu einer Fehlfunktion kommen, würde die Reaktion nicht außer Kontrolle geraten und eine Kernschmelze verursachen; sie würde einfach von selbst abbrennen und zum Stillstand kommen.
Ein weiterer wichtiger Punkt: Da diese Reaktoren Wasserstoff nutzen, könnten geopolitische Spannungen erheblich abgebaut werden. Stellen Sie sich vor, Kriege um Öl würden nicht mehr geführt, weil niemand mehr darauf angewiesen wäre. Das Potenzial für neue globale Dynamiken ist durchaus real. Gleichzeitig dürfen die potenziellen wirtschaftlichen Auswirkungen auf verschiedene Regionen der Welt nicht außer Acht gelassen werden.
Welche Gefahr birgt die thermonukleare Energie?
Obwohl dies keine Gefahr darstellt, dürfte ein potenzieller Nachteil der Fusionsenergie in der frühen Entwicklungsphase die Kosten sein. Alles Neue ist teuer, sei es ein neues Auto, eine neue Spielkonsole oder eine neue Energiequelle. Traditionelle Energiequellen werden einfach günstiger. Deshalb verbrennen wir immer noch Kohle und Benzin und nutzen Kernkraftwerke. Die Infrastruktur ist vorhanden, die Energieerzeugungsmethode ist leicht verständlich, und die Verbraucher sind es gewohnt, einen bestimmten Preis dafür zu zahlen.
Die Kosten für Kernfusion werden auf etwa 80–100 US-Dollar pro MWh (Stand 2020) geschätzt. Realistischerweise dürften die Kosten jedoch deutlich höher ausfallen und bis zu 150 US-Dollar pro MWh erreichen. Mit steigender Inflation wird dieser Wert weiter steigen. Dies ist allerdings nur dann realistisch, wenn Kernfusion zum Standard wird. Ursprünglich gingen Forscher der Princeton University davon aus, dass die Investitionskosten für Kernfusion bis zu 7.000 US-Dollar pro kW betragen könnten.
Das US-Energieministerium schätzte 2021 die Kosten des internationalen Fusionsforschungsprojekts ITER, das Tokamaks zur Erforschung und Erzeugung von Fusionsenergie baut, auf bereits 65 Milliarden US-Dollar. Das ursprüngliche Budget war mit 5 Milliarden US-Dollar veranschlagt. Anders ausgedrückt: Niemand kennt bisher die genauen Kosten der Fusion, aber sie werden wahrscheinlich höher ausfallen als bisher angenommen.
Hinsichtlich praktischer Gefahren funktionieren Fusionsreaktoren möglicherweise nicht so, wie allgemein angenommen. Die Sonne fusioniert Wasserstoff, doch auf der Erde erwägen wir die Verwendung von Deuterium und Tritium, Wasserstoffisotopen, da diese reaktiver sind als Wasserstoff. Tritium kommt in der Natur nicht vor. Es ist radioaktiv und ein Nebenprodukt der Kernspaltung. Eine Fusionsreaktion kann zwar prinzipiell ihr eigenes Tritium erzeugen, doch muss es zunächst in großen Mengen zugeführt werden. Die Kosten für ein Gramm belaufen sich auf etwa 30.000 US-Dollar.
Die Fusion mit diesen Isotopen erzeugt Neutronenflüsse, die radioaktiv sind und waffenfähiges Plutonium produzieren können. Daher ist der Vorteil der «Null-Abfall»-Strategie im Hinblick auf die Fusionsprozesse auf der Erde streng genommen nicht zutreffend. Befürworter weisen jedoch darauf hin, dass Tritium eine sehr kurze Halbwertszeit hat und in Fusionskraftwerken nur vernachlässigbare Mengen benötigt werden. Dies könnte dennoch für relative Sicherheit sorgen. Was die Neutronenflüsse betrifft, so ist eine Lösung zur Abschirmung und zum Schutz vor ihnen noch nicht gefunden, aber möglich.
Ein weiterer Nachteil, der die Energiefrage betrifft, ist die möglicherweise etwas uneindeutige Angabe zum Nettoenergiegewinn. Im Bericht über den Fusionsdurchbruch von 2022 wurde nicht erwähnt, dass das Labor 300 Megajoule Energie zum Aufladen der Laser vor dem Zünden verwendete, wodurch drei Megajoule Fusionsenergie freigesetzt wurden. Der Fokus lag lediglich auf der beim eigentlichen Zünden freigesetzten Energie, die geringer war als die erzeugte Energie.
Was die Rolle der Kernfusion als Weltretter angeht, stellt sich auch die Frage nach dem richtigen Zeitpunkt. Um die Welt vor der Klimakrise zu bewahren, müssen wir laut UN bis 2050 weltweit Klimaneutralität erreichen. Trotz der Versprechungen von Unternehmen erscheint es unwahrscheinlich, dass die Kernfusion so schnell in großem Maßstab realisiert werden kann. Das heißt nicht, dass sie nicht weiterentwickelt werden sollte, aber zu behaupten, sie werde ein Problem lösen, für das es dann zu spät sein wird, ist irreführend.
Es ist außerdem wichtig zu beachten, dass Informationen über die Leistung, die ein Fusionsgenerator erzeugen kann, oft durch vage Formulierungen verschleiert werden. Die ITER-Anlage in Frankreich soll 500 Megawatt Leistung bei einem Stromverbrauch von nur 50 Megawatt erzeugen können. Das klingt nach einem guten Kompromiss, doch 500 Megawatt sind keine elektrische Leistung, sondern die Fusionsenergie in Form von Neutronen und Alphateilchen. Und 50 Megawatt sind nicht der Stromverbrauch, sondern lediglich die thermische Energie. Die Anlage verbraucht deutlich mehr Strom, etwa 300–400 Megawatt. Daher wurde die behauptete Effizienz noch nicht erreicht, und PR und Marketing verzerren die Wahrheit.
Die Sonne und andere Sterne im Weltraum beweisen zweifelsfrei, dass Fusionsenergie eine erstaunliche Energiequelle ist. Ob es der Menschheit jemals gelingen wird, sie nutzbar zu machen – und zwar so, dass der Aufwand an Zeit und Mühe gerechtfertigt ist –, werden wir frühestens in einigen Jahren wissen.
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