Gastbeitrag: Kernfusion – Der ewige Hoffnungsträger?

Vor dreißig Jahren hieß es: In dreißig Jahren ist es so weit. Und heute heißt es noch immer: In dreißig Jahren ist es so weit. In Physik-Kreisen wird das manchmal scherzhaft als die „Fusions-Konstante“ bezeichnet: Kernfusion bleibt scheinbar immer dreißig Jahre entfernt.

Ist das große Kernfusions-Kraftwerk, das unsere Energieprobleme löst, also bloß ein Wunschtraum, den wir niemals erreichen? Nein, so pessimistisch muss man nicht sein. Kernfusion ist eine großartige Zukunftshoffnung – und sie ist durchaus realistisch. Klar ist aber auch: Die Energiewende muss ohne Kernfusion gelingen, mit den Technologien, die heute bereits auf dem Markt sind. Für die Rettung des Klimas kommt die Kernfusion zu spät.

Kernfusion ist gewissermaßen das Gegenteil von dem, was in unseren bestehenden Kernkraftwerken passiert. In einem Kernkraftwerk verwendet man schwere Atomkerne wie Uran – sie setzen Energie frei, wenn sie zerfallen. Bei der Kernfusion hingegen verwendet man leichte Atomkerne wie Wasserstoff. Sie verhalten sich umgekehrt: Sie setzen Energie frei, wenn sie fusioniert werden.

Von schweren Atomkernen wissen wir: Sie zerfallen ganz von selbst – das ist natürliche Radioaktivität. Warum fusionieren dann leichte Atomkerne nicht ganz von selbst? Warum ist es so schwierig, Atomkerne zu fusionieren? Das liegt einfach daran, dass Atomkerne positiv geladen sind und einander daher abstoßen. Je näher man Atomkerne aneinanderpresst, umso stärker stoßen sie einander ab – bis eine gewisse Schwelle erreicht ist, ab der sich die Kerne dann plötzlich anziehen. Ab einem ganz bestimmten winzig kleinen Abstand wird plötzlich die Anziehungskraft zwischen den Kernen größer als die elektrische Abstoßung, die Kerne ziehen einander an wie zwei Magnete, sie vereinen sich und setzen dabei Energie frei.

Die entscheidende Schwierigkeit bei der Kernfusion ist also, Atomkerne in ausreichend engen Kontakt miteinander zu bringen. In unserer Sonne gelingt das durch extrem hohen Druck und extrem hohe Temperatur. Große Hitze bedeutet, dass sich die Atomkerne sehr schnell bewegen – damit haben sie ausreichend Schwung um die Abstoßungskräfte zu überwinden.

Ähnliches möchte man nun auch auf der Erde zustande bringen. Die Idee ist nicht neu, seit Jahrzehnten wird an Kernfusionsreaktoren geforscht. Doch in den letzten Jahren scheint wieder mehr Schwung in diese Forschung zu kommen: In Frankreich wird ITER gebaut, ein Fusionsreaktor, der zwar noch keinen Strom erzeugen soll, aber zumindest den Weg zu einem Fusionskraftwerk aufzeigen könnte. Am Lawrence Livermore National Lab in Kalifornien wurde im Dezember 2022 ein großer Erfolg vermeldet: Dort gelang es, mit Hilfe eines Lasers, Kernfusion zu zünden – und dabei sogar mehr Wärmeenergie freizusetzen als man in Form von Laserlicht aufgewendet hatte.

Es handelt sich um zwei ganz grundlegend unterschiedliche Fusions-Technologien: Bei der Tokamak-Technologie, die beim ITER in Frankreich zum Einsatz kommt, werden Wasserstoffkerne mit extrem starken Magnetfeldern in einem doughnutförmigen Reaktor im Kreis geführt. Bei rund 150 Millionen Grad kommt es dann zur Kernfusion. Heikel ist dabei die Wechselwirkung zwischen dem heißen Fusionsplasma und der Reaktorwand: Einerseits muss es einen Energieaustausch zwischen Plasma und Wand geben, schließlich möchte man die Hitze des Plasmas abführen um daraus dann in zukünftigen Fusionskraftwerken in einer Dampfturbine elektrischen Strom zu generieren. Andererseits aber muss man darauf achten, dass die heißen Teilchen des Plasmas die Reaktorwand nicht zerstören. Sich zwischen diesen beiden Problemen technologisch hindurch zu manövrieren, ist eine wissenschaftlich extrem komplexe Aufgabe.

Die Technologie, die am Lawrence Livermore National Lab eingesetzt wird, ist eine ganz andere – man bezeichnet sie als „Trägheitsfusion“. Dabei verwendet man winzige Pellets aus Wasserstoff, in der Größe von einigen Millimetern. Mit Hilfe eines gewaltigen Lasers wird in diesen Pellets Kernfusion gezündet. Dafür genügt es allerdings nicht, das Pellet einfach direkt mit dem Laser zu beschießen. Die Kernfusion muss kontrolliert und sehr gleichmäßig gezündet werden – das ist die große Herausforderung an dieser Technologie. Die Pellets müssen extrem präzise geformt sein, selbst Unregelmäßigkeiten in der Größenordnung von Mikrometern könnten ein solches Pellet unbrauchbar machen. Die Energiezufuhr muss exakt zur selben Zeit gleichmäßig von allen Seiten einsetzen.

Zu diesem Zweck wird das Pellet in einem Metallbehälter platziert, der dann von einem kurzen Laserpuls getroffen wird. Dabei erhitzt sich der Behälter so stark, dass er Röntgenstrahlung erzeugt, die dann das Pellet gleichmäßig von allen Seiten trifft. Seine äußere Schicht verdampft, es wird heiß und implodiert – und wenn alles nach Plan läuft, kommt es zur Kernfusion, bei der das Pellet mehr Wärmeenergie freisetzt als man in Form von Laserlicht hineingeschickt hat.

Bis diese Technologie aber tatsächlich für ein Kraftwerk verwendet werden kann, müssen noch viele technische Probleme gelöst werden: Zunächst ist die Energiemenge, die bei solchen Laserpulsen durch Kernfusion freigesetzt wird, noch viel zu gering. Dass ein Wasserstoff-Pellet mehr Energie freisetzt als man hineinschickt, ist zwar ein wichtiger Meilenstein, garantiert aber noch lange keine kommerzielle Nutzbarkeit.

In dieser Energiebilanz sind nämlich viele wichtige Faktoren noch nicht enthalten: Um das Laserlicht zu erzeugen, muss man viel mehr Energie aufwenden, als der Laser dann tatsächlich in der Box mit dem Pellet deponieren kann, denn kein Lasersystem arbeitet jemals mit einer Effizienz von hundert Prozent. Und die Wärmeenergie, die abgegeben wird, lässt sich niemals zu hundert Prozent nutzen – ein beträchtlicher Teil der Energie geht bei der Umwandlung in elektrischen Strom verloren. Um die Technologie wirtschaftlich interessant zu machen, müsste man die Effizienz also noch um Größenordnungen steigern.

Außerdem müsste es gelingen, möglichst kontinuierliche Fusion zu garantieren. Bei der Laser-basierten Trägheitsfusion ist das heute nicht der Fall: Realistisch ist vielleicht ein Laser-Schuss pro Tag, dann muss das Pellet getauscht und der Reaktor wieder in Ordnung gebracht werden. Für ein Kraftwerk müsste man aber viele Pellets pro Sekunde verfeuern – sie müssten nacheinander wie bei einem tropfenden Wasserhahn nach unten fallen und jeweils von einem Laserpuls getroffen werden. Ob das technisch realistisch ist, lässt sich heute nicht sagen. Und dann müsste die entstehende Energie auch noch auf möglichst effiziente Weise abgeführt werden, um damit dann Strom zu erzeugen – ein ausgereiftes Kraftwerksdesign dafür fehlt noch.

Die Tokamak-Technologie ist in diesem Punkt schon weiter: Auch hier sind noch viele Fragen offen, aber der Weg zu einem Kraftwerk scheint zumindest in groben Zügen absehbar. Wenn ITER in den nächsten Jahren tatsächlich Energie aus Kernfusion erzeugt, soll ein Nachfolger gebaut werden, der dann tatsächlich Strom erzeugen soll – DEMO soll dieses erste Tokamak-Kraftwerk heißen. Aber wie genau es aussehen wird und wann es gebaut wird, ist derzeit noch offen.

Es gibt also noch eine ganze Reihe von Problemen zu lösen. Keines von ihnen erscheint prinzipiell unüberwindlich – doch zu prognostizieren, wie schnell die nötigen Innovationsschritte gelingen können, ist heute nicht möglich. Als man schon vor Jahrzehnten großspurig „Kernfusion in dreißig Jahren“ versprach, war das sicher überzogener Optimismus. Heute sieht man die Herausforderungen und Schwierigkeiten viel klarer als damals.

Wenn es heute noch immer heißt „in dreißig Jahren haben wir Kernfusion“, dann bedeutet das nicht, dass in den letzten Jahrzehnten nichts geschehen ist. Im Gegenteil: Die Fortschritte in der Kernfusion sind beeindruckend. Für immer längere Zeitspannen konnte man bei immer höherem Druck immer höhere Temperaturen erzeugen. Man nähert sich dem Ziel einer ökonomisch verwertbaren Kernfusion also kontinuierlich an – nur eben nicht ganz so rasch, wie man das vor einigen Jahrzehnten etwas übereifrig versprochen hat.

Wenn mitten in der Klimakrise an Kernfusion geforscht wird, dann stellt sich natürlich die Frage: Ist Kernfusion die Lösung? Müssen wir einfach nur auf den serienreifen Fusionsreaktor warten und die Energiewende ist erledigt? Nein, das wäre ein fataler Irrtum. Vieles ist rund um die Kernfusion derzeit noch unklar, aber eines wissen wir mit großer Sicherheit: Für die Energiewende kommt die Kernfusion zu spät. Kernfusion ist nicht der Ersatz für Öl, Kohle und Gas.

Die Energiewende muss in den nächsten zehn bis zwanzig Jahren gelingen. Selbst wenn sich die Kernfusion optimal entwickelt, werden wir in dieser Zeit die Stromproduktion des Planeten nicht auf Kernfusion umstellen können. Die Klimawende müssen wir genau mit den Technologien schaffen, die wir heute zur Verfügung haben – mit Wasserkraft, Photovoltaik, Wind und anderen nachhaltigen Energiequellen. Wer jetzt behauptet, man könne die Anstrengungen der Energiewende reduzieren, weil die Kernfusion das Problem in absehbarer Zeit ohnehin löst, der liegt ganz eindeutig falsch.

Das bedeutet aber nicht, dass Kernfusions-Forschung nutzlos ist. Im Gegenteil: Es gibt wohl kaum ein klügeres Investment. Auch wenn wir unsere heutigen Energie-Bedürfnisse mit bereits bestehender Alternativenergie decken und die Kernfusion dann zu einem Zeitpunkt marktreif wird, zu dem wir unseren Strom bereits auf umweltfreundliche Weise erzeugen – selbst in diesem Szenario könnte die Kernfusion einen großartigen Nutzen für die Menschheit bringen.

Die Energie-Bedürfnisse der Menschheit haben sich immer gewandelt, das wird auch in Zukunft so sein. Wer weiß, wofür wir in zwanzig, in dreißig, in vierzig Jahren Strom benötigen werden? Vielleicht werden großartige neue Umwelttechnologien erfunden? Vielleicht entwickeln wir Verfahren, CO2 auf effiziente Weise wieder aus der Atmosphäre zu holen und brauchen dafür eine Menge Strom? Vielleicht entwickeln wir neue Arten der Nahrungsmittelproduktion oder der Gebäudeerrichtung, die umweltfreundlicher sind als heute, aber dafür vielleicht mehr Energie benötigen?

Dass eines Tages Kernfusions-Kraftwerke entstehen aber niemand sie braucht, weil es mehr elektrische Energie gibt als man nutzen kann, ist schwer vorstellbar. Und selbst wenn die Wahrscheinlichkeit, dass Kernfusion einen segensreichen Beitrag für die Energieversorgung künftiger Generationen liefert, nur bei ein paar Prozent liegen sollte – wäre es dann nicht trotzdem den Aufwand wert?

Wenn uns die Krisen der letzten Jahre irgendetwas gelehrt haben, dann das: Man soll sich nicht von Tag zu Tag durchs Leben stolpern und hoffen, dass nichts Schlimmes passiert. Man soll versuchen, große wichtige Entwicklungen frühzeitig zu erkennen und sein Verhalten daran anpassen. In diesem Sinn sind wir gut beraten, heute schon für die Energieversorgung von übermorgen vorzusorgen.

Je mehr Technologien wir heute fördern, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich irgendeine davon zum wirtschaftlich erfolgreichen Zukunftsmodell entwickelt. Rational betrachtet ist also das Beste was wir tun können: Jetzt die Energiewende vorantreiben – ohne Kernfusion. Und gleichzeitig trotzdem eifrig an der Kernfusion weiter zu forschen, bis sie dann hoffentlich in serienreife Kraftwerke mündet. In dreißig Jahren vielleicht. Wir werden sehen.