Ein Computerbild zeigt das erste Plasma aus der Experimentieranlage Wendelstein 7-X. Quelle: picture alliance / dpa | Stefan Sauer

Vor etwa hundert Jahren wurde die Kernfusion als Energiequelle der Sonne entdeckt. Bei der Kernfusion werden zwei Atomkerne verschmolzen, im Gegensatz dazu werden bei der Kernspaltung (AKW) Atomkerne gespalten. Durch die Verschmelzung zweier Atomkerne kann Energie freigesetzt werden, bei der pro Reaktion im Vergleich zur Verbrennung fossiler Brennstoffe eine millionenfach höhere Energiefreisetzung stattfindet. Um den Kernfusionsprozess in einem Fusionsreaktor in Gang setzen zu können, muss das sogenannte Fusionsplasma, ein geeignetes Stoffgemisch auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden, für z.B. Deuterium-Tritium auf Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius. Bisher ist es noch nicht gelungen, aus dem Kernfusionsprozess nutzbare Energie zu gewinnen.
Wissenschaftler:innen weltweit forschen mehrheitlich an der sogenannten Deuterium-Tritium-Fusion (D-T Fusion), auf Basis der Magnetfusion. Das heißt, dass die Kernfusion technisch mittels eines Magnetfeldes realisiert werden soll. Bei der D-T Fusion werden die chemischen Elemente Deuterium (nicht radioaktiv) und das radioaktive Tritium als Brennstoffe verwendet. Deuterium und Tritium sind Isotope des Elements Wasserstoff. Zunehmend werden alternative Konzepte wie z.B. die Laserfusion für die Energieerzeugung verfolgt. Hierbei wird die Fusion nicht mittels eines Magnetfeldes, sondern mittels energiereicher Laser realisiert.

Bei der Fusion eines D- und T-Kerns entsteht ein Helium-Kern und ein Neutron. Das Neutron trägt die freigewordene Energie in Form von Bewegungsenergie (Neutronenstrahlung). Die Energie des Helium-Kerns wird dazu verwendet, die Plasmatemperatur aufrecht zu erhalten, jedoch ist zusätzlich noch Heizenergie nötig. Zudem muss das Plasma durch ein Magnetfeld – im Fall der Magnetfusion - eingeschlossen werden. Die Fusionsreaktion verläuft dann im Plasma des erhitzten D-T-Gemischs, welches sich in einer Vakuumkammer befindet. Um dann Strom erzeugen zu können, soll die Energie des Neutrons bzw. der Neutronenstrahlung in speziellen Bauteilen, sogenannten Blanket, in Wärme umgewandelt werden. Die Wärme soll dann mittels eines Kühlmediums und durch Wärmetauscher eine Turbine zur Stromerzeugung antreiben – ähnlich wie in einem konventionellen AKW oder konventionellen fossilen Kraftwerken.

Für ein mögliches Kraftwerk mit 1000 Megawatt elektrischer Leistung werden für die D-T Fusion die Brennstoffe Deuterium und Tritium jeweils in einer kleinen dreistelligen Kilogrammmenge pro Jahr veranschlagt; jedoch sind dies bislang nur Annahmen. (Quelle: „DEMO“-Projekt, Gianfranco Federici von EUROfusion; FEC 2023; 16.-21.10.2023, London, UK) Zum Vergleich: AKW benötigen jährlich rund 170 Tonnen Uran (= rund 80.000 Tonnen Gestein). Der Rohstoff Deuterium wird aus Wasser gewonnen. Das radioaktive und leicht flüchtige Wasserstoffisotop Tritium mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren muss im Blanket erbrütet (=kernphysikalische Reaktion) werden. Wie das Erbrüten des Tritiums realisiert werden soll, dazu gibt es noch viele ungelöste technische Fragen.

Obwohl es bei der Kernfusion auch darum geht, langlebige Abfälle zu vermeiden, werden dennoch radioaktive Stoffe mit längerlebigen Nukliden entstehen, vor allem dadurch, dass Neutronen auf bestimmte Legierungsbestandteile in den Bauteilen treffen. Deshalb fällt auch bei der Kernfusion schwach- (LAW) und zu einem geringen Anteil auch mittelradioaktiver Abfall (MAW) an. Hochradioaktiver Abfall entstünde nicht, was ein klarer Vorteil dieser Energieerzeugung gegenüber heutigen Atomkraftwerken wäre.

Allein schon aufgrund seiner Größe ist bei Fusionsreaktoren insgesamt – sowohl im Betrieb, als auch im Rückbau - mit größeren Mengen dieser schwach- und mittelradioaktiven Reststoffen zu rechnen, als bei einem konventionellen Atomkraftwerk (Beispiel: Vakuumbehälter Fusionsreaktor „ITER“ ca. 5000t (ohne Einbauten); AKW-Reaktordruckbehälter ca. 500t). Unter anderem der radioaktive Brennstoff Tritium trägt zu einer größeren Abfallmenge bei, da sich Tritium leicht in Baumaterialien einlagert und dadurch mehr radioaktive Abfälle entstünden. Zu der großen Abfallmenge trägt zudem bei, dass wegen dem Verschleiß der Materialien damit gerechnet wird, dass manche Anlagenkomponenten teilweise oder ganz alle fünf bis zehn Jahre ausgetauscht werden müssen. Gemäß Studien würden z.B. für den Versuchsreaktor „DEMO“ von EUROfusion bei einer Lebensdauer von 20 Jahren potentiell bis zu 50.000 Tonnen radioaktive Abfälle anfallen, die zwischen- oder endgelagert werden müssten (Quelle: Committee on Radioactive Waste Management (CoRWM), November 2021, London, UK).

Diese radioaktiven Reststoffe müssten abklingen und sicher verwahrt werden. Wiederum ein Teil davon müsste möglicherweise auch über einen längeren Zeitraum (>100 Jahre) hinaus sicher eingelagert werden. Klar ist also, dass bei der Kernfusion größere Mengen schwach- und zum Teil auch mittelradioaktive Abfälle entstehen werden, die sicher verwahrt werden müssen. In welchem Umfang Abfälle entstehen die dauerhaft sicher einlagert werden müssen, wird abhängig von den im Fusionsreaktor eingesetzten Materialien sein und ist Gegenstand von Forschung und Entwicklung.

Das radioaktive Tritium, Bestandteil des Brennstoffs bei der D-T Fusion, ist ein radiologisches Risiko für das Personal eines möglichen Fusionsreaktors. Das Personal wäre zudem auch durch aktivierte Bauteile in einem solchen Reaktor belastet. Da bei der Kernfusion radioaktive Stoffe entstehen, bestehen also grundsätzlich radiologische Risiken für das Personal bei Betrieb, Wartung und Demontage von Anlagen.

Im Vergleich zur Kernspaltung entstehen bei der Kernfusion jedoch wesentlich geringere Aktivitätsinventare bei Bauteilen und Materialien im Reaktor und auch keine hochradioaktiven Abfälle. Ein katastrophales Reaktorunglück, mit Folgen wie bei einem AKW, ist zudem praktisch nicht möglich, da das Fusionsplasma in einem Störfall selbstständig erlischt und im Gegensatz zu KKW keine Nennenswerte Nachwärmeproduktion erfolgt.

Da bei der Kernfusion kein Spaltmaterial eingesetzt wird, ist das diesbezügliche von Anlagen zur Kernspaltung - beispielsweise Kernkraftwerken - unmittelbar ausgehende Proliferationsrisiko nicht gegeben. Jedoch stellt der Brennstoff Tritium eine wesentliche Komponente in modernen Kernwaffen dar. Zudem könnte ein Fusionsreaktor missbräuchlich für das Erbrüten von spaltbaren Materialien für den Kernwaffenbau verwendet werden. Mögliche Proliferationspotentiale gilt es somit zu beobachten und unter ein wirksames internationales Kontrollregime zu stellen.

Stellaratorspule Wendelstein 7-AS im Zukunftsmuseum in München: Auch ein rechtlich bindendes Reglement für die Kernfusion ist Aufgabe für die Zukunft. Quelle: picture alliance/dpa | Daniel Karmann

Ob zukünftige Fusionsreaktoren nach Atomrecht behandelt werden, ist noch offen. Der Versuchsreaktor „ITER“ in Frankreich ist bislang das einzige Projekt weltweit mit einem Bezug zur technisch nutzbaren Energieerzeugung. Jedoch geht es auch bei „ITER“ bislang rein um Fusionsleistung und nicht darum, Strom zu erzeugen. Alle anderen Fusionsprojekte haben noch keinen Bezug zur technisch nutzbaren Energieerzeugung, die Frage nach einem fusionsspezifischen Regelwerk hat sich bisher noch nicht gestellt. Großbritannien und die USA beabsichtigen jedoch, künftige Versuchsfusionsreaktoren nicht unter Atomrecht zu stellen.

Aus regulatorischer Sicht sind bei der Kernfusion im Vergleich zur Kernspaltung die maximalen radiologischen Folgen eines Unfalls zwar erheblich kleiner anzusetzen, jedoch würden die Unterschiede zwischen einem Fusionsreaktor und einem Atomkraftwerk erfordern, dass das Regelwerk für den sicheren Bau, Betrieb, Stilllegung und Abbau für Fusionskraftwerke erheblich angepasst oder neu aufgesetzt wird. Zu diesem Schluss kommt die Gesellschaft für Reaktorsicherheit in einer 2022 veröffentlichten Studie, die von der Europäischen Atomgemeinschaft (EURATOM) in Auftrag gegeben wurde. Ein solches Regelwerk für die Kernfusion existiert bislang nicht. Die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO) beabsichtigt für die Kernfusion Sicherheitsstandards zu entwickeln.

Auch hinsichtlich eines Proliferationsrisikos, das heißt dem Missbrauch von Kernfusionsanlagen für den Erwerb von Kernwaffen, diskutieren u.a. die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO) und wissenschaftliche Organisationen derzeit Konzepte zum Umgang hiermit. Es gibt bislang kein rechtlich bindendes Reglement.