Warum funktioniert die Kernfusion nicht?

Warum die Kernfusion noch immer ein ungelöstes Versprechen ist: Herausforderungen und Zukunftsperspektiven

Die Kernfusion, der Prozess, der die Sonne und andere Sterne antreibt, gilt seit Jahrzehnten als die ultimative saubere Energiequelle der Zukunft. Die Idee ist verlockend: reichlich vorhandene Brennstoffe wie Deuterium und Tritium, keine Treibhausgasemissionen und eine inhärent sichere Reaktion, die sich selbst abschaltet, falls Probleme auftreten. Doch trotz intensiver Forschung und bedeutender Fortschritte bleibt die kommerzielle Nutzung der Kernfusion auf der Erde ein hartnäckiges und komplexes Problem.

Die unbarmherzigen Bedingungen:

Der Schlüssel zur Kernfusion liegt in der Überwindung der elektrostatischen Abstoßung zwischen positiv geladenen Atomkernen. Um Deuterium und Tritium – die gängigsten Brennstoffe für Fusionsreaktoren – miteinander zu verschmelzen, sind extreme Bedingungen erforderlich:

• Immense Temperaturen: Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius sind notwendig, um den Kernen genügend kinetische Energie zu verleihen, um die Coulomb-Barriere zu überwinden und die Anziehungskraft der starken Kernkraft zu nutzen. Das ist etwa zehnmal heißer als der Kern der Sonne!
• Enormer Druck: Neben der Temperatur ist auch ein ausreichender Druck erforderlich, um eine hohe Dichte des Plasmas zu gewährleisten und die Wahrscheinlichkeit von Kernkollisionen zu erhöhen.
• Effektiver Einschluss: Das extrem heiße Plasma muss über einen längeren Zeitraum in einem begrenzten Volumen stabil gehalten werden. Dieser “Einschluss” ist entscheidend, um die Fusionsreaktion aufrechtzuerhalten, bis mehr Energie freigesetzt wird, als für den Betrieb des Reaktors benötigt wird.

Die größten Hürden auf dem Weg zur Fusionsenergie:

Obwohl die Wissenschaftler immense Fortschritte erzielt haben, stellen die oben genannten Bedingungen nach wie vor massive technische Herausforderungen dar:

• Plasma-Instabilitäten: Die extreme Hitze und der Druck führen zu komplexen und schwer vorhersehbaren Instabilitäten im Plasma. Diese Instabilitäten können das Plasma auf die Wände des Reaktors lenken, die es sofort zerstören würden. Die Entwicklung von Methoden zur Kontrolle und Stabilisierung dieser Instabilitäten ist eine der größten Herausforderungen.
• Materialien: Die Materialien, die für den Bau von Fusionsreaktoren verwendet werden, müssen extremen Bedingungen standhalten: intensiver Neutronenstrahlung, hoher Temperatur und starken elektromagnetischen Feldern. Die Suche nach geeigneten Materialien mit der notwendigen Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Strahlungsbeständigkeit ist ein fortlaufender Forschungsschwerpunkt.
• Energiebilanz: Das Ziel ist es, eine positive Energiebilanz zu erreichen, d.h. mehr Energie aus der Fusionsreaktion zu gewinnen, als für die Aufrechterhaltung des Plasmas benötigt wird. Obwohl einige Experimente (wie z.B. JET) bereits in der Nähe dieses Ziels waren, muss die Energiebilanz deutlich verbessert werden, um einen kommerziell rentablen Fusionsreaktor zu realisieren.
• Tritium-Versorgung: Tritium, ein radioaktives Isotop des Wasserstoffs, ist ein wichtiger Brennstoff für Fusionsreaktoren. Es kommt jedoch in der Natur nur in geringen Mengen vor. Die Entwicklung effizienter Methoden zur Tritium-Erzeugung, beispielsweise durch die Nutzung von Lithium in der Reaktorwand, ist essentiell.

Die Zukunft der Kernfusion:

Trotz der Herausforderungen bleibt die Kernfusion ein aktives und vielversprechendes Forschungsfeld. Aktuelle Projekte wie ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) in Frankreich, ein gemeinsames internationales Projekt, zielen darauf ab, die wissenschaftliche und technische Machbarkeit der Kernfusion nachzuweisen. ITER soll ein Plasma erzeugen, das 500 MW Fusionsleistung für 50 MW Heizleistung liefert.

Neben ITER gibt es auch eine Vielzahl von kleineren, innovativen Fusionsprojekten, die unterschiedliche Ansätze verfolgen, wie z.B. Trägheitsfusion (z.B. am National Ignition Facility in den USA) und alternative Magneteinschlusskonzepte.

Fazit:

Die Kernfusion ist ein äußerst komplexes und anspruchsvolles Unterfangen. Die extremen Bedingungen, die für die Aufrechterhaltung einer Fusionsreaktion erforderlich sind, stellen enorme technische Herausforderungen dar. Obwohl es noch ein langer Weg bis zur kommerziellen Nutzung der Kernfusion ist, sind die potenziellen Vorteile – saubere, unbegrenzte Energie – es wert, diese Herausforderungen anzunehmen. Die kontinuierliche Forschung und Entwicklung neuer Technologien lassen hoffen, dass die Zähmung der Kernfusion eines Tages Realität werden könnte und eine entscheidende Rolle bei der Deckung des globalen Energiebedarfs spielen wird.