Der lange Weg zum Kernfusionsreaktor: Chancen und Herausforderungen der Fusionsforschung

Die Kernfusion – die kontrollierte Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium – gilt als die Zukunft der Energiegewinnung.

Sie verspricht eine nahezu unerschöpfliche und klimafreundliche Energiequelle, die im Vergleich zur herkömmlichen Kernspaltung keine langlebigen radioaktiven Abfälle produziert.

Doch obwohl diese Technologie große Hoffnung für die Zukunft weckt, steht die Wissenschaft noch am Anfang eines langen und schwierigen Weges, der viele technische, wirtschaftliche und politische Herausforderungen mit sich bringt.

In Deutschland hat die neue Bundesregierung angekündigt, die Fusionsforschung weiter zu fördern.

Ziel ist es, den weltweit ersten Kernfusionsreaktor in Deutschland zu bauen.

Doch trotz dieser Ambitionen warnen Fachleute vor übertriebenen Erwartungen und betonen, dass es noch viele Hürden zu überwinden gibt, bevor die Technologie marktreif wird.

In diesem Artikel werfen wir einen detaillierten Blick auf die aktuellen Entwicklungen in der Kernfusionsforschung, die technischen Herausforderungen und die Perspektiven für eine nachhaltige Energiezukunft.

Die Kernfusion: Ein vielversprechender, aber schwieriger Weg

Die Grundidee der Kernfusion ist einfach: Zwei Wasserstoffkerne verschmelzen zu einem Heliumkern und setzen dabei enorme Energiemengen frei.

Im Vergleich zur Kernspaltung, bei der schwere Atomkerne gespalten werden, erzeugt die Kernfusion keine langlebigen radioaktiven Abfälle.

Die potenziellen Vorteile der Fusionsenergie sind daher enorm – es handelt sich um eine saubere, nachhaltige und praktisch unerschöpfliche Energiequelle, die auf den weltweit reichlich vorhandenen Ressourcen von Wasserstoff basiert.

Doch das große Problem bei der Kernfusion ist, dass es bisher nicht gelungen ist, mehr Energie zu erzeugen, als für die Fusion selbst aufgebracht wird.

Der Prozess erfordert Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius, die nur durch fortschrittlichste Magnetfelder oder Laserstrahlen aufrechterhalten werden können.

Noch hat kein Fusionsreaktor mehr Energie erzeugt, als er verbraucht hat, und die Technologie befindet sich nach wie vor in einem experimentellen Stadium.

Erste Erfolge: Fortschritte in der Forschung

Trotz dieser Herausforderungen gibt es weltweit zunehmend Fortschritte in der Fusionsforschung.

Ein bemerkenswerter Erfolg wurde im Dezember 2022 von der National Ignition Facility (NIF) in den USA erzielt, als es gelang, die Laserfusion mit einer höheren Effizienz zu starten.

Bei dieser Methode wird Wasserstoff mit Laserstrahlen so stark komprimiert, dass die Kerne verschmelzen und Energie freisetzen.

Auch in Europa gibt es Fortschritte: Im Jahr 2023 erzielte der Joint European Torus (JET) in Großbritannien einen Rekord, indem er in einem fünf Sekunden andauernden Fusionsfeuer so viel Energie erzeugte wie beim Verbrennen von zwei Kilogramm Braunkohle.

Solche Ergebnisse sind vielversprechend, da sie zeigen, dass die Technologie grundsätzlich funktionieren kann.

In Deutschland ist das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald führend in der Magnetfusion und forscht mit dem Stellarator Wendelstein 7-X an innovativen Ansätzen.

Obwohl Wendelstein 7-X noch kein funktionierendes Kraftwerk ist, hat das Projekt bereits vielversprechende Ergebnisse geliefert und könnte in Zukunft eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von Kernfusionskraftwerken spielen.

Tabelle: Fortschritte in der Kernfusionsforschung weltweit

Start-ups drängen auf Kommerzialisierung: Der Wettlauf um den ersten Reaktor

Während große Forschungsinstitute wie das Max-Planck-Institut und JET auf die langsame Entwicklung von Kernfusionskraftwerken setzen, gibt es auch Start-ups, die mit innovativen Konzepten die Kommerzialisierung der Fusionsenergie vorantreiben wollen.

Diese Unternehmen setzen oft auf neue Materialien und Technologien, die den Bau von Kernfusionskraftwerken schneller und kostengünstiger machen sollen.

Ein Beispiel hierfür ist das Münchener Start-up Proxima Fusion, das bis 2031 einen Prototyp eines Fusionsreaktors bauen will.

Jorrit Lion, Mitgründer von Proxima Fusion, erklärt: „Unsere Roadmap sieht vor, dass wir bis Ende der 2030er-Jahre ein funktionierendes Fusionskraftwerk haben.“

Die Start-ups setzen auf Magnetfelder aus Hochtemperatur-Supraleitern, die deutlich stärker sind als die derzeit verwendeten Materialien.

Diese Supraleiter könnten es ermöglichen, die extrem hohen Temperaturen für die Fusion effizienter zu erzeugen.

Zudem arbeiten sie an der Erzeugung von Tritium, einem der beiden Wasserstoff-Isotope, die für die Kernfusion benötigt werden.

Laserfusion: Ein alternativer Ansatz

Neben der Magnetfusion gibt es einen alternativen Ansatz: Laserfusion.

Dabei wird Wasserstoff in Form von gefrorenem Wasserstoff in einer kleinen Kugel eingeschlossen und mit starken Laserstrahlen beschossen.

Durch den enormen Druck, der dadurch erzeugt wird, verschmelzen die Wasserstoffkerne und setzen Energie frei.

In Deutschland verfolgen zwei Start-ups dieses Prinzip.

Focused Energy in Darmstadt plant, bis Anfang der 2030er-Jahre eine Testanlage mit 40 bis 50 Lasern zu bauen.

Doch der Bau eines funktionierenden Kraftwerks wird noch eine große Herausforderung darstellen, da dafür Hunderte von Lasern nötig wären.

Der erste Prototyp könnte bis zum Ende des nächsten Jahrzehnts fertiggestellt werden.

Markus Roth, der Chefwissenschaftler von Focused Energy, erklärt: „Jedes Mal, wenn unsere Laser auf die Wasserstoff-Kügelchen feuern, wird eine Fusionsreaktion gezündet, bei der das 100-fache der hineingesteckten Energie herauskommt.“

Doch trotz dieser Fortschritte gibt es noch erhebliche technische Hürden, insbesondere bei der effizienten Erzeugung der extrem starken Laser.

Enorme technische Herausforderungen und die Unsicherheiten der Fusionsenergie

Trotz des Optimismus, den viele in der Branche hegen, gibt es erhebliche technische Herausforderungen, die noch nicht vollständig gelöst sind.

Die Anforderungen an die Materialien, die die Reaktorkomponenten ausmachen, sind enorm.

Diese müssen extreme Temperaturen und hohe Radioaktivität aushalten, was die Entwicklung geeigneter Materialien zu einer der größten Hürden macht.

Zudem ist die Erzeugung von Tritium, einem der Brennstoffe für die Fusion, noch nicht vollständig erprobt.

Der Plan ist, dass sich der Reaktor das Tritium während des Betriebs selbst herstellen kann, aber auch diese Technologie ist bislang kaum erprobt.

Reinhard Grünwald vom Büro für Technikfolgenabschätzung betont: „Das ist keineswegs ein Selbstläufer.

Es wird noch viel Forschung benötigt, um die Herausforderungen zu meistern, von denen wir momentan nicht wissen, wie wir sie lösen sollen.“

Wirtschaftliche Fragen: Wird die Kernfusion wirtschaftlich tragfähig sein?

Ein weiteres großes Fragezeichen ist die wirtschaftliche Tragfähigkeit der Fusionsenergie.

Während die Technologie eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle verspricht, ist es fraglich, ob die Kosten für den Bau eines Fusionskraftwerks jemals mit den bereits bestehenden Erneuerbaren Energien wie Windkraft oder Solarenergie konkurrieren können.

Milena Roveda von Gauss Fusion, einem weiteren Unternehmen, das an Fusionskraftwerken arbeitet, erklärt: „Wir gehen nicht davon aus, dass die Fusion so günstig sein wird wie die Windenergie.

Aber wir sehen sie als ergänzende Quelle für eine zuverlässige Grundlastversorgung.“

Fazit: Der lange Weg zur Fusionsenergie

Die Kernfusion bleibt ein technisches Megaprojekt, dessen Erfolg nach wie vor unsicher ist.

Dennoch zeigen die Fortschritte der letzten Jahre, dass es möglich ist, die Technologie weiterzuentwickeln.

Die Marktreife der Kernfusion könnte jedoch noch Jahrzehnte entfernt sein.

Ob es die Magnetfusion oder die Laserfusion ist, die das Rennen macht, bleibt abzuwarten.

Die politische Unterstützung und die Investitionen in die Fusionsforschung sind vorhanden, und auch wenn es noch viele Herausforderungen zu überwinden gibt, bleibt der Traum von der sauberen Energiequelle der Zukunft lebendig.

Für die kommenden Jahre bleibt die Entwicklung der Fusionsenergie eines der spannendsten und zugleich anspruchsvollsten Projekte der Wissenschaft.