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Kernfusion

Bei der Kernfusion wird die Energie nicht durch Spaltung sondern durch Verschmelzung zweier Atomkerne gewonnen. Derzeit ist die Kernfusion ein Zukunftsprojekt. Wann ein erstes kommerzielles Kraftwerk zur Stromerzeugung realisiert werden könnte, lässt sich nicht prognostizieren.

Kernfusion

Die Kernfusion befindet sich seit Jahrzehnten im Stadium der Erforschung. Wissenschaftler:innen weltweit forschen mehrheitlich an der sogenannten Deuterium--Fusion (D-T Fusion), auf Basis der Magnetfusion. Das heißt, dass die Kernfusion technisch mittels eines Magnetfeldes realisiert werden soll.

Blick auf „ITER“, den weltweit fortgeschrittensten Prototyp eines Fusionsreaktors in Frankreich
Blick auf „ITER“, den weltweit fortgeschrittensten Prototyp eines Fusionsreaktors in Frankreich © pa/dpa/MAXPPP | Gilles Bader / Le Pictorium

Es existieren weltweit eine Handvoll Experimentiereinrichtungen, die mit Hilfe der Kernfusion versuchen, Energie zu erzeugen. Weltweit existiert bis heute jedoch keine Versuchsanlage, die mittels Kernfusion mehr Energie erzeugt als freisetzt als sie für ihren Betrieb benötigt, oder die gar Strom erzeugen könnte.

Mit „ITER“ ist weltweit der fortgeschrittenste eines Fusionsreaktors im Bau: „ITER“ soll die technische Machbarkeit eines Kernfusionskraftwerks demonstrieren, wobei eine Stromerzeugung nicht geplant ist. Von dem eines Fusionsreaktors „ITER“ hin zu einem stromerzeugenden Versuchsreaktor muss noch viel Forschung und Entwicklung stattfinden.

Jüngst öffentlich vermeldete Fortschritte beim Thema Kernfusion, zum Beispiel in den USA, betreffen Ergebnisse aus der Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Kernfusion auf Basis der Laserfusion. Hierbei wird die Fusion nicht mittels eines Magnetfeldes, sondern mittels hochenergetischer Laser realisiert. Es ist derzeit nicht prognostizierbar, ob oder wann ein erstes kommerzielles Fusionskraftwerk zur Stromerzeugung realisiert werden könnte.

Im Folgenden finden Sie exemplarische Kernfusions-Forschungsprojekte und deren anvisierte Zeithorizonte:

Im Plasmagefäß der Experimentieranlage Wendelstein 7-X: Das erste Plasma wurde dort am 10. Dezember 2015 erzeugt.
Im Plasmagefäß der Experimentieranlage Wendelstein 7-X: Das erste Plasma wurde dort am 10. Dezember 2015 erzeugt. © picture alliance/dpa | Stefan Sauer
  • Seit 2010 wird durch ein internationales Konsortium (China, EU, Indien, Japan, Korea, Russland und USA) im französischen Cadarache der Versuchsreaktor „ITER“ errichtet. Der Versuchsreaktor soll die prinzipielle Machbarkeit eines Fusionskraftwerks, basierend auf der Magnetfusion, demonstrieren. Das heißt, dass die Kernfusion technisch mittels eines Magnetfeldes realisiert werden soll. Ziel ist, 500 Megawatt Fusionsleistung für länger als 300 Sekunden (5 Min.) erzeugen zu können. Geplant war dieses Ziel ursprünglich bis 2035-2040 zu realisieren, das Projekt ist jedoch mit erheblichen Zeit- und Kostensteigerungen konfrontiert. Für 2024 ist ein neuer Zeitplan angekündigt. Bei „ITER“ geht es rein um Fusionsleistung und nicht darum, Strom zu erzeugen.
  • Begleitend zu dem „ITER“-Versuchsreaktor wird durch das Konsortium EUROfusion die Entwicklung des Fusionsreaktor-Prototyps „DEMO“ (Magnetfusion) vorangetrieben. Geplant ist ein solcher in Europa ab 2050. Er soll jährlich rund 500 Megawatt Strom produzieren (zum Vergleich: AKW ca. 1400 MW). Das Konsortium EUROfusion wurde 2014 gegründet. Es besteht aus staatlichen Forschungseinrichtungen aus EU-Mitgliedsstaaten (u.a. mehrere deutsche) und der Schweiz. EUROfusion forscht mit dem Projekt „DEMO“ an einer möglichen kommerziellen Nutzung der Kernfusion.
  • In Greifswald wird mit dem Wendelstein 7-X die weltweit größte Experimentieranlage vom Typ Stellarator betrieben. Ihre Aufgabe ist es, die Eignung dieses speziellen Bautyps für ein Fusionskraftwerk zu untersuchen. Die Hauptmontage von Wendelstein 7-X wurde 2014 abgeschlossen, das erste Plasma wurde am 10. Dezember 2015 erzeugt. Der Wendelstein 7-X ist eine reine Experimentalanlage zur Erforschung von Kernfusion. Die Anlage ist noch weit von einem -Kraftwerk entfernt.
  • Aktuell verfolgen weltweit zahlreiche private Unternehmen das Thema Kernfusion. Diese Unternehmen nehmen sich vielfach vor, Versuchsreaktoren schon bis 2030-2035 zu realisieren. Diese Angaben sind meist reine Absichtserklärungen und nicht unabhängig überprüfbar.

Hinweise:

Fragen und Antworten zur Kernfusion

Wie funktioniert die Kernfusion?

Ein Computerbild zeigt das erste Plasma aus der Experimentieranlage Wendelstein 7-X.
Ein Computerbild zeigt das erste Plasma aus der Experimentieranlage Wendelstein 7-X. © 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 (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- 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 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 . 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 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 (= rund 80.000 Tonnen Gestein). Der Rohstoff Deuterium wird aus Wasser gewonnen. Das radioaktive und leicht flüchtige Wasserstoffisotop Tritium mit einer 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.

Welche radioaktiven Abfälle entstehen bei der Kernfusion?

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

Allein schon aufgrund seiner Größe ist bei Fusionsreaktoren insgesamt – sowohl im Betrieb, als auch im - mit größeren Mengen dieser 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 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 und zum Teil auch 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.

Welche Sicherheitsrisiken gibt es bei der Kernfusion?

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

Im Vergleich zur entstehen bei der Kernfusion jedoch wesentlich geringere Aktivitätsinventare bei Bauteilen und Materialien im Reaktor und auch keine . Ein katastrophales Reaktorunglück, mit Folgen wie bei einem AKW, ist zudem praktisch nicht möglich, da das Fusionsplasma in einem 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 - beispielsweise Kernkraftwerken - unmittelbar ausgehende Proliferationsrisiko nicht gegeben. Jedoch stellt der Brennstoff 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.

Welche Regeln könnten für künftige Fusionsreaktoren gelten? Fällt die Kernfusion unter Atomrecht?

Blick auf eine Stellaratorspule des Forschungsreaktors Wendelstein 7-AS aus dem Jahr 1990, die im Zukunftsmuseum Muenchen aufgebaut ist.
Stellaratorspule Wendelstein 7-AS im Zukunftsmuseum in München: Auch ein rechtlich bindendes Reglement für die Kernfusion ist Aufgabe für die Zukunft. © 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 die maximalen radiologischen Folgen eines Unfalls zwar erheblich kleiner anzusetzen, jedoch würden die Unterschiede zwischen einem Fusionsreaktor und einem erfordern, dass das Regelwerk für den sicheren Bau, Betrieb, und 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 (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 (IAEO) und wissenschaftliche Organisationen derzeit Konzepte zum Umgang hiermit. Es gibt bislang kein rechtlich bindendes Reglement.

Was sind die Charakteristika der Kernfusion?

  • Bei einem Fusionsprozess entstünden wesentlich geringere Aktivitätsinventare als bei der (AKW). Es entstünde gemäß der Klassifikation der Internationalen Atomenergie-Organisation (IAEO) kein hochradioaktiver Abfall.
  • Der radioaktive Brennstoff ( 12,3 Jahre) würde sich in Materialien einlagern. Auch die bei der Kernfusion stattfindende würde Bauteile des Reaktors aktivieren (materialunabhängige Halbwertszeiten). Somit entstünden also weiterhin Radionuklide und somit schwach- und mittelradioaktive Reststoffe, zuerst in Form von Bauteilen des Fusionsreaktors. Bei der Kernfusion ist mit großen Mengen an schwach- und mittelradioaktiven Reststoffen zu rechnen, die weiterverarbeitet, zwischen- und teilweise dauerhaft sicher endgelagert werden müssten.
  • Das Fusionsplasma erlischt selbstständig, sobald die Energiezufuhr unterbrochen ist und im Gegensatz zur erfolgt keine nennenswerte Nachwärmeproduktion. Ein katastrophales Reaktorunglück mit Folgen wie bei einem AKW ist daher praktisch nicht möglich.
  • Ein grundsätzliches radiologisches der Kernfusion wäre der verwendete radioaktive Brennstoff ( 12,3 Jahre). Und da bei der Kernfusion entstünden, würden grundsätzliche radiologische Risiken bei Betrieb, Wartung und Demontage von Anlagen bestehen sowie bei möglichen Stör- und Unfallszenarien.
  • Bei der Kernfusion wird voraussichtlich eine kleine dreistellige Kilogrammmenge je Brennstoff (Deuterium und ) pro Jahr und Gigawatt elektrischer Kraftwerksleistung verbraucht; 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 (= rund 80.000 Tonnen Gestein).
  • Die Kernfusion würde die Rohstoffabhängigkeit verringern, da der Brennstoff im Fusionskraftwerk aus geringen Mengen von Lithium selbst erzeugt werden könnte. Zur Erbrütung von gibt es jedoch noch viele ungelöste Fragen.

Stand: 16.01.2024