La Kernenergie spielt seit Jahrzehnten eine entscheidende Rolle in der weltweiten Energieversorgung. Allerdings ist die daraus gewonnene Energie Kernfusion verspricht eine noch bedeutendere Veränderung der Energielandschaft und bietet eine praktisch unerschöpfliche Ressource mit minimalen Emissionen radioaktiver Abfälle. Trotz seines Potenzials befindet sich dieses fantastische Verfahren noch in der Entwicklung, da die technologischen und wirtschaftlichen Schwierigkeiten nicht gering sind. Es ist eine Herausforderung, der Wissenschaftler auf der ganzen Welt kontinuierlich nachgehen, um die Kernfusion eines Tages als stabile kommerzielle Energiequelle Wirklichkeit werden zu lassen.
In diesem Artikel werden wir uns damit befassen, was Kernfusion ist, welche Vorteile sie hat, welche Herausforderungen es mit sich bringt, sie zu einer kommerziellen Quelle zu machen, und welche Bedeutung sie für die globale Energiezukunft hat.
Was ist Kernfusion?
Die Kernfusion ist ein anderer Prozess als die Kernspaltung, der Mechanismus, der in aktuellen Kernkraftwerken zum Einsatz kommt. Während bei der Spaltung schwere Atome wie Uran und Plutonium gespalten werden, werden bei der Fusion leichtere Kerne wie Wasserstoffatome zu einem schwereren und stabileren Kern verbunden. Durch diese Verbindung wird eine große Energiemenge in Form von Wärme freigesetzt.
Der bisher am besten durchführbare Prozess ist die Fusion von Deuterium und Tritium, zwei Wasserstoffisotopen, zu Helium. Bei dieser Reaktion werden auch Teilchen wie Neutronen freigesetzt. Bei der Fusion von Deuterium und Tritium werden bei jeder Fusionsreaktion 17.6 MeV (Millionen Elektronenvolt) frei. Diese Energie ist erheblich größer als die, die bei der Kernspaltung entsteht.
Einer der Hauptvorteile der Kernfusion besteht darin, dass Deuterium aus Meerwasser gewonnen werden kann, wodurch die Brennstoffversorgung nahezu unbegrenzt ist. Andererseits kann Tritium, wenn auch nicht so häufig wie Deuterium, in den Fusionsreaktoren selbst durch Beschuss von Lithium mit Neutronen erzeugt werden.
Wie erfolgt die Kernfusion?
Um eine Kernfusion auf der Erde zu erreichen, müssen extreme Bedingungen erzeugt werden, die denen ähneln, die im Kern von Sternen herrschen. Damit Atomkerne verschmelzen können, müssen sie die natürliche elektrostatische Abstoßung zwischen ihnen überwinden und dazu Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius erreichen.
In Versuchsreaktoren wie Tokamaks und Stellaratoren werden Atome auf über 100 Millionen Grad erhitzt, um genügend Geschwindigkeit und Energie zu erzeugen, damit die Kerne nahe genug zusammenkommen und verschmelzen können. Bei diesen Temperaturen liegt Materie nicht mehr im festen, flüssigen oder gasförmigen Zustand vor, sondern im Plasmazustand, einem ionisierten Gas aus geladenen Teilchen.
Das Hauptproblem bei der Fusion besteht darin, dass es auf der Erde kein Material gibt, das solch hohen Temperaturen standhalten kann, ohne zu schmelzen. Daher muss das Plasma in Fusionsreaktoren durch starke Magnetfelder begrenzt werden, die verhindern, dass es die Wände des Reaktors berührt. Dies ist der Ansatz zum magnetischen Einschluss, der darin besteht, das Plasma mithilfe supraleitender Magnete in einer toroidalen (ringförmigen) Geometrie zu halten.
Ein anderer Ansatz ist der Trägheitseinschluss, bei dem Laser oder Teilchenstrahlen verwendet werden, um winzige Deuterium-Tritium-Kapseln auf extrem hohe Dichten zu komprimieren, wodurch die Teilchen verschmelzen, bevor sie Zeit haben, sich auszudehnen. Ein bemerkenswertes Beispiel für diesen Ansatz ist die National Ignition Facility (NIF) in den Vereinigten Staaten, die wichtige Meilensteine in der Trägheitsfusionsforschung erreicht hat.
Wissenschaftliche Eindämmungsstrategien
Es gibt zwei Haupttechniken, um eine kontrollierte Kernfusion zu erreichen: magnetischen Einschluss und Trägheitseinschluss.
Magnetischer Einschluss: Diese Methode basiert auf der Verwendung starker Magnetfelder, um das heiße Plasma einzudämmen. in einem Reaktor TokamakBeispielsweise sind toroidförmige Magnete dafür verantwortlich, das Plasma von den Wänden des Reaktors fernzuhalten, sodass der Fusionsprozess ablaufen kann, ohne dass das Plasma zu schnell abkühlt.
Eine der größten Herausforderungen bei dieser Technik besteht darin, dass nur ein Bruchteil der Teilchen im Plasma verschmelzen kann. Damit die Fusion wirtschaftlich ist, muss eine Plasmaeffizienz von mehr als 50 % erreicht werden Lawson-Kriterium. Obwohl die Sonne aufgrund ihrer enormen Masse einer Gravitationsbeschränkung unterliegt, können wir auf der Erde diese Drücke nicht reproduzieren, sodass wir viel höhere Temperaturen erreichen müssen.
Trägheitseinschluss: Anstatt das Plasma mit Magnetfeldern einzudämmen, schlägt der Trägheitseinschluss die Verwendung von Lasern oder Teilchenstrahlen vor, um Deuterium- und Tritiumkapseln zu komprimieren. Die Idee ist, dass durch das Komprimieren dieser Kapseln auf extrem hohe Dichten und das anschließende schnelle Erhitzen die Fusion ausgelöst wird, bevor sich die Partikel zu stark bewegen können.
Beide Ansätze haben ihre Vor- und Nachteile, und Wissenschaftler untersuchen weiterhin, welcher Ansatz Fusionsreaktoren kommerziell nutzbar machen wird.
Wann wird es wirtschaftlich rentabel sein?
Trotz der Fortschritte der letzten Jahrzehnte ist die Kernfusion noch einige Jahrzehnte davon entfernt, wirtschaftlich rentabel zu sein. Es wird geschätzt, dass es um das Jahr 2050 möglich sein könnte, die ersten kommerziellen Kernfusionsreaktoren zu sehen, obwohl dieses Datum weitgehend vom technologischen Fortschritt und der weiteren Forschungsfinanzierung abhängt.
Eines der vielversprechendsten Projekte ist jedoch das ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), eine internationale Initiative, die darauf abzielt, die technische und wissenschaftliche Machbarkeit der Kernfusion durch magnetischen Einschluss zu demonstrieren. Wenn die ITER-Tests erfolgreich verlaufen, besteht die Hoffnung, dass sie den Weg für die Entwicklung kommerzieller Fusionsreaktoren ebnen könnten.
Ein weiterer bedeutender Fortschritt war die Entwicklung von Hochtemperatur-Supraleiter für Magnete, die in Fusionsreaktoren verwendet werden. MIT-Forscher haben einen supraleitenden Magneten entwickelt, der viel stärkere Magnetfelder als herkömmliche Magnete erzeugt und dabei viel weniger Energie verbraucht. Studien zufolge könnte diese Technologie die Kosten von Fusionsreaktoren um den Faktor 40 senken, was die kommerzielle Fusion nicht nur rentabel, sondern auch kostenmäßig potenziell wettbewerbsfähig machen würde.
Um die Kernfusion Wirklichkeit werden zu lassen, ist nicht nur ein wissenschaftlicher Durchbruch erforderlich, sondern auch eine umfassendere internationale Zusammenarbeit sowie politisches und finanzielles Engagement zur Unterstützung langfristiger Forschung. Fusion hat das Potenzial, eine saubere, sichere und nahezu unbegrenzte Energiequelle zu sein, erfordert jedoch nachhaltige Investitionen und weltweit koordinierte Anstrengungen.
Die Kernfusion stellt ein enormes Energieversprechen dar, das viele der Probleme unserer Zivilisation in Bezug auf Nachhaltigkeit und Energiesicherheit lösen würde. Die wissenschaftlichen, technischen und logistischen Herausforderungen dieser Technologie sind jedoch enorm. Mit fortschreitender Forschung besteht die Hoffnung, dass die Kernfusion in den kommenden Jahrzehnten endlich aus dem Labor in die weltweite Energieversorgung übergehen kann.