Durchbruch bei Kernfusion - erster Schritt am noch mühsamen Weg zur "grünen Energie"

josef

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#1
ENERGIE
Durchbruch bei Kernfusion
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Was Medien schon in den vergangenen Tagen berichtet haben, ist nun vom US-Energieministerium bestätigt worden: Fachleuten ist ein großer Durchbruch bei der Kernfusion gelungen. Erstmals haben sie dabei mehr Energie erzeugt als investiert. Damit rückt eine Ära grüner Energie näher – noch gibt es aber viele Hürden.
Online seit heute, 16.14 Uhr
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Die Ergebnisse wurden von einem Team der National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien erzielt. US-Energieministerin Jennifer Granholm sprach am Dienstag bei der Bekanntgabe in Washington von „einer der beeindruckendsten wissenschaftlichen Leistungen des 21. Jahrhunderts. Und jeder, der an diesem Durchbruch in der Kernfusion beteiligt war, wird in die Geschichtsbücher eingehen“, so die Ministerin. Das Experiment war der US-Regierung zufolge am 5. Dezember gelungen.

Fachleute sprechen unisono von einem Durchbruch. „Das beweist, dass das lange verfolgte Ziel, der ‚Heilige Gral‘ der Kernfusion, tatsächlich erreicht werden kann“, erklärte der Physiker Jeremy Chittenden vom Imperial College London. Gleichzeitig verwiesen Kolleginnen und Kollegen darauf, dass die kommerzielle Nutzung der Technologie damit zwar näher rückt, aber noch immer in weiter Ferne liegt.

Energie der Sterne
Worum geht es? Bei der Kernfusion werden kleine Atomkerne miteinander verschmolzen – fusioniert -, dabei wird Energie frei. „Kernfusion ist die Mutter aller Energie im Universum“, sagte der Physiker Markus Roth von der TU Darmstadt. „So funktioniert jeder Stern.“
Das Prinzip ist leicht erklärt: In Sternen wie unserer Sonne wird bei großer Hitze und unter ungeheurem Druck Wasserstoff zu Helium fusioniert. Die dabei frei werdende Energie versorgt etwa die Erde mit Licht und Wärme.

In irdischen Fusionsreaktoren werden die Kerne der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium zu Heliumkernen verschmolzen. Deuterium und Tritium werden auch schwerer und überschwerer Wasserstoff genannt. Denn während gewöhnliche Kerne von Wasserstoffatomen nur ein Proton enthalten, hat Deuterium zusätzlich noch ein Neutron, Tritium sogar zwei Neutronen.

Extrem hohe Temperaturen nötig
Normalerweise verhindert die Abstoßung gleichnamiger Ladungen – hier der positiv geladenen Protonen – die Vereinigung zu einem gemeinsamen Atomkern. Erst extrem hohe Temperaturen geben den Kernteilchen so viel Energie, dass sie beim Zusammenprall die Abstoßungsbarriere überwinden und fusionieren. Bei dieser Fusion entstehen freie hochenergetische Neutronen. Deren Energie würde bei einem Fusionskraftwerk Wasser erhitzen, der Wasserdampf eine Turbine antreiben – wie bei anderen Kraftwerken auch.

Das Team in Kalifornien nutzte für seine Experimente die weltstärkste Laseranlage, um winzige Mengen von Deuterium und Tritium in Millionen Grad heißes Plasma zu wandeln. Dabei erhitzen knapp 200 Laser das Innere eines wenige Millimeter großen Behälters.

APA/AFP/Lawrence Livermore National
Servicearbeiten im Inneren der LLNL-Anlage

Gesamtbilanz noch lange nicht positiv
Bei dem Experiment wurde – wie in der Forschung üblich – nur die Energiebilanz des Plasmas selbst angegeben. Dabei wird nicht berücksichtigt, wie viel Strom zum Beispiel in die Laser geflossen ist, also die Gesamtbilanz. Für eine künftige Stromerzeugung ist entscheidend, dass die Gesamtbilanz der Fusion positiv ist – was sie weiterhin bisher noch längst nicht ist.

Beim NIF-Experiment hatten die knapp 200 Laser eine kleine Brennstoffkammer, die winzige Mengen Wasserstoff enthielt, auf mehr als drei Millionen Grad erhitzt. LLNL-Direktorin Kim Budil zufolge benötigte die Anlage 300 Megajoule Energie, um zwei Megajoule Laserenergie zu liefern, die drei Megajoule Fusionsausbeute erzeugten.
Dass insgesamt erst einmal mehrere hundert Megajoule an Energie ins System gesteckt werden mussten, ist also der Haken an der Erfolgsmeldung. Zur Stromgewinnung müsse man mindestens das Doppelte der investierten Energiemenge erzeugen, erläuterte Tony Roulstone von der Universität Cambridge.

Noch ein langer Weg
Hinzu kommt: „Das Lawrence Livermore National Laboratory könnte diese Art Resultat prinzipiell etwa einmal pro Tag erzielen“, meinte der Physiker Justin Wark von der Universität Oxford. „Ein Fusionskraftwerk müsste das zehnmal pro Sekunde tun.“

Budil ist dennoch optimistisch. Berechnungen würden darauf hinweisen, dass es mit einem Lasersystem im größeren Maßstab möglich ist, eine Ausbeute von Hunderten Megajoule zu erzielen. „Es gibt also einen Weg zu einem Ziel, das genügend Ertrag bringt – aber davon sind wir im Moment noch sehr weit entfernt.“
Nun komme es auch darauf an, den Prozess zu verfeinern sowie einfacher zu machen, so Budil weiter. Vor allem an der Wiederholungsrate müsse gearbeitet werden, damit der Prozess um ein Vielfaches öfter als einmal am Tag durchgeführt werden könne. „Die Entzündung (des Plasmas, Anm.) ist ein erster Schritt, ein wirklich monumentaler Schritt.“ Er schaffe die Voraussetzungen für ein Jahrzehnt der Transformation.


LLNL-Anlage

Optimismus in der Branche
Den Optimismus teilen Physikerkollegen. „Die grundlegende Wissenschaft ist jetzt ziemlich gut verstanden, und das sollte weitere Investitionen ankurbeln“, meinte Wark. Und das wiederum, so Mark Wenman vom Imperial College London, „bringt den Zeitpunkt näher, an dem wir ein Fusionskraftwerk ans Netz anschließen können“. Das würde eine Ära von grüner, sicherer und unerschöpflicher Energiegewinnung einleiten.

Auch der deutsche Physiker Markus Roth ist optimistisch. „Das Experiment trifft auf ein Forschungsfeld, das gewaltig in Bewegung ist“, sagte der Mitgründer des deutsch-amerikanischen Start-ups Focused Energy. Bis Ende des Jahrzehnts sei es möglich, zunächst mit einer Versuchsanlage zu zeigen, dass man die Fusionsreaktion zuverlässig zünden könne. Kommerzielle Kraftwerke, deren Leistung etwa der von Atomkraftwerken entspreche, seien bis Ende der 2030er Jahre denkbar.

Aktuell gibt es freilich noch keine Kraftwerke, aber sehr viel Forschung – etwa im Rahmen des internationalen Großprojekts ITER, das derzeit in Frankreich gebaut wird, im Joint European Torus (JET) in der Nähe von Oxford in Großbritannien – und am LLNL in Kalifornien.
13.12.2022, red, science.ORF.at/Agenturen

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Durchbruch bei Kernfusion
 

Db1

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#2
Epochaler Moment und Hoffnung in dieser eigenartigen Zeit. Neben Krisen durch Viren und Krieg und der Gier der vermeintlichen wirtschaftlichen Profiteure ist diese Entdeckung mit der Erfindung der Dampfmaschine oder des Flugzeuges gleichzusetzen. Schön!
 

Db1

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#4
na ja, als Lilienthal damals von der Wasserkuppe runterschwebte sprach auch niemand von einem Hyperschall Flugzeug.... Aber der Mensch hatte damals ein paar Sekunden mehr oder weniger keinen festen Boden unter den Schuhen....
Schönen Tag!
Daniel
 
#5
Lilienthal hatte aber auch nicht schon 70 Jahre lang von einem Durchbruch in der Fliegerei gesprochen, als er das erste Mal abhob.
;)
Seit den 50erjahren wird in der Fusionsforschung eigentlich ständig davon geredet, dass es nicht mehr lang dauern würde bis es soweit sei. Ausserdem glaub ich nicht, dass die Laserfusion von gefrorenem Wasserstoff ein praktikabler Weg zur Nutzung der Fusionsenergie ist. Aber egal, schaun wir einfach mal, was als Nächstes kommt.:cool:
Noch ein Artikel aus einer Zeitschrift die ich sehr mag:
Kernfusion: Die Zukunft der Fusion liegt immer noch in der Zukunft
Gruß
Albert
 
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josef

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#6
KERNFUSION
Wann kommt das Fusionskraftwerk?
Ein Meilenstein in der Fusionsforschung weckt neue Hoffnung auf saubere, günstige Energie. Für die aktuellen Klimaziele kommt die Technologie aller Voraussicht nach aber zu spät

Ein Fusionskraftwerk würde sich von einem klassischen Atommeiler äußerlich kaum unterscheiden.
Foto: AP/Petr David Josek

Ein alter Schmäh unter Forschenden und Physik-Nerds lautet: Die einzige Konstante in der Fusionsforschung sei, dass es zu jedem Zeitpunkt in 30 Jahren einen funktionierenden Fusionsreaktor geben werde. Die Kernfusion ist die Karotte vor der Nase der Menschheit: Energie, die praktisch kostenlos, unendlich, sauber und zum Greifen nahe scheint. Und das nun schon seit 60 Jahren.

Mit dem Durchbruch in einem kalifornischen Labor erscheint die Kernfusion wieder einmal näher: Forschenden am Lawrence Livermore National Laboratory der National Ignition Facility (Nif) ist es gelungen, eine kontrollierte Kernfusion ablaufen zu lassen und dabei mehr Energie herauszubekommen, als sie eingesetzt hatten. Sie hatten die Kernfusion mit starken Lasern eingeleitet.

Ein Großteil der Forschung konzentriert sich allerdings auf sogenannte Tokamak-Reaktoren, wo statt mit Lasern mit starken Magnetfeldern gearbeitet wird. Dort sehen Forschende das größte Potenzial für einen künftigen Reaktor, der auch wirtschaftlich Energie erzeugen kann. Auch Georg Harrer arbeitet an der Technischen Universität Wien an Kernfusion in Tokamak-Reaktoren. Auch wenn die Technik eine andere ist, könne man von den Kollegen in den USA etwas lernen, sagt er.

Neue Benchmark
Die wichtigste Kennzahl in der Fusionsforschung sei der Verstärkungsfaktor, der mit Q abgekürzt wird. Liegt er über eins, erzeugt ein Reaktor mehr Energie, als eingespeist wurde. Bei dem Experiment in den USA wurde ein Q-Wert von 1,2 erreicht. "Das ist jetzt unsere Benchmark", sagt Harrer.

Damit ein Fusionsreaktor künftig wirtschaftlich betrieben werden kann, müsse man aber auf einen Q-Wert von 30 bis 50 kommen. Nachdem der Meilenstein, nämlich Q=1, erreicht wurde, sind höhere Q-Werte laut Harrer aber gar nicht mehr so schwierig. Da gehe es vor allem um die richtige Reaktorgröße und Isolierung. "Das ist wie der Unterschied zwischen Schweden- und Kachelofen", sagt Harrer.


In sogenannten Tokamak-Reaktoren wird mit sehr starken Magneten ein Plasma erzeugt, in dem Wasserstoffatome zu Helium fusionieren.
Foto: Eurofusion

Der weltgrößte Versuchskernreaktor Iter, der gerade in Südfrankreich gebaut wird, ist darauf ausgelegt, einen Verstärkungsfaktor von zehn zu erreichen. In Betrieb gehen soll er frühestens 2035. Doch auch Iter wird keinen Stromausgang haben. Erst der Nachfolger, der Demo-Reaktor, soll wirklich Strom erzeugen. Forschungsreaktoren wie Iter haben noch "hunderte verschiedene Fenster, wo man mit Messgeräten reinschauen kann", erklärt Harrer. Beim Demo-Reaktor geht es hingegen darum herauszufinden, wie wirtschaftlich Energie erzeugt werden kann, statt um physikalische Grundlagen. Die meisten Staaten planen, ihre Demo-Reaktoren zwischen 2040 und 2050 einzuschalten.

Hohe Investitionen
Sollten sich die Demo-Reaktoren bewähren, würden kurz darauf einige wenige Reaktoren der ersten Generation folgen, die von privater Hand mit dem Ziel gebaut werden, Energie zu gewinnen. Die darauf folgenden Reaktoren der zweiten Generation wären günstiger und effizienter – und könnten bereits in hundertfacher Ausführung entstehen.

Das alles kostet viel Geld. Ein niederländisches Forscherteam um Niek Cardozo ging 2016 davon aus, dass rund zwei bis vier Billionen US-Dollar an Investments notwendig seien, damit Fusionsenergie mit Wind und Photovoltaik mithalten kann. Wie schnell die Kernfusion an Schwung gewinnt, hängt laut Cardozo auch davon ab, wie risikofreudig Unternehmen sein werden. Denn diese müssten die hohen Baukosten, inklusive Zinsen, für die neue Technologie aufbringen, bevor sich diese im großen Stil bewährt hat.

Hunderte Reaktoren notwendig
Zwischen den Reaktorgenerationen könnte zudem viel Zeit vergehen, in denen es kaum Lerneffekte gibt. So setzt man etwa eine Bauzeit von zehn Jahren an – so lange dauert es heutzutage, ein traditionelles Kernkraftwerk in Betrieb zu nehmen. Beim Bau könnte man auch an logistische Grenzen stoßen. Um im Jahr 2100 ein Drittel des Stroms aus Fusion zu erzeugen, müssten wir ab 2080 jährlich 250 Reaktoren bauen, rechnet Cardozo in einem wissenschaftlichen Fachbeitrag vor. Zum Vergleich: Derzeit entstehen etwa zehn Atomreaktoren pro Jahr.


In Südfrankreich entsteht gerade der International Thermonuclear Experimental Reactor
(Iter).

"Unendlich Energie", wie oft proklamiert, liefern Fusionsreaktoren keinesfalls. Der Output eines Fusionskraftwerks werde wohl bei etwa einem Gigawatt liegen – eine typische Größe für ein heutiges Atomkraftwerk, das etwa ganz Wien mit Elektrizität versorgen könnte. Ein Gigawatt sei nicht nur die Größe, welche die Netzbetreiber fordern, um Kernspaltungskraftwerke direkt zu ersetzen, sondern auch das, was wirtschaftlich Sinn macht, erklärt Harrer. Kleine, modulare Reaktoren würden sich nur rentieren, wenn es große Fortschritte in Nachbardisziplinen gäbe – etwa bei der Forschung an Hochtemperatur-Supraleitern, die für Magnete im Tokamak-Reaktor benötigt werden.

Genug Brennstoff verfügbar
Die Fusionsreaktoren würden zudem Deuterium und Tritium als Brennstoff brauchen. Die beiden Wasserstoff-Isotope sind auf der Erde reichlich vorhanden. Deuterium kommt in Meerwasser vor und kann aus diesem mit Zentrifugen gewonnen werden. Tritium wiederum wird aus Lithium im Reaktor selbst erbrütet. "Wir hoffen, dass uns die Akkuproduzenten noch etwas Lithium für die Fusion übriglassen", scherzt Harrer. Viel braucht es von dem Rohstoff allerdings nicht: Das Lithium einer einzigen E-Auto-Batterie könnte bei der Kernfusion so viel Energie liefern, wie in 40.000 Tonnen Steinkohle steckt. So viel verbrauchen 1.000 Personen in Österreich in rund 70 Jahren – von Strom über Heizung bis Autofahren und Fliegen.

Um gefährlichen Abfall müsste man sich bei Kernfusionkraftwerken weniger Sorgen machen. Statt über zigtausende Jahre hinweg strahlender Atommüll entsteht nur harmloses Helium. Nur bestimmte Gebäudeteile, wie die Innenseite der Brennkammer, würden durch die Strahlung aktiviert, also selbst radioaktiv. Diese Strahlung würde aber bereits nach wenigen Jahrzehnten abklingen. Derzeit werde aber an Materialien geforscht, die weniger Strahlung aufnehmen, sagt Harrer. Im Versuchsreaktor Iter komme etwa ein spezieller Stahl zum Einsatz, der bereits nach 50 Jahren weniger strahlt als Asche aus Kohlekraftwerken.

Viele Unbekannte
Wie viel die Kernfusion bis zum Ende des Jahrhunderts zum Energiemix beitragen wird, lässt sich nur mutmaßen. Die Schätzungen gehen, je nach Quelle und Optimismus, von einem Anteil im Promillebereich bis über weit die Hälfte des weltweiten Energiebedarfs. Physiker Harrer hält es für realistisch, dass Fusionsreaktoren bis 2100 so viel Energie bereitstellen wie Atomreaktoren heute – also etwa zehn Prozent des Strombedarfs.

Doch für eine seriöse Prognose gibt es zu viele Variablen. Wie sehr klemmen sich Regierungen als die derzeit größten Finanziers der Fusionsforschung hinter die Technologie? Was tut sich bei den Fusions-Start-ups, die in den letzten Jahren aus dem Boden geschossen sind? Wie sehr behindern weltpolitische Entwicklungen die Forschung, bei der bisher trotz Krieg und Rivalitäten international kooperiert wurde?

Eines ist schon jetzt klar: Bevor neue Kraftwerke Realität werden, werden die Experimente in den USA militärisch genutzt werden. Der Administrator für Verteidigungsprogramme in der nationalen Nuklearsicherheitsabteilung des Energieministeriums Marvin Adams betonte bei der Präsentation des Durchbruchs, dass die neuen Ergebnisse in erster Linie Bedeutung für die Nationale Sicherheit hätten und Anwendungen für die Gewinnung von sauberer Energie sekundär wären. Laborexperimente würden helfen, Wasserstoffbombentests zu ersetzen.

Letztlich hat das Lawrence Livermore National Laboratory militärischen Hintergrund. So kommt dreißig Jahre nach dem Kalten Krieg mit den neuen Ergebnissen auch die Wasserstoffbombe wieder aufs Tapet.

Saubere Energie für später
Nicht zu vernachlässigen ist auch die Entwicklung bei den erneuerbaren Energien. Vor allem Windenergie und Photovoltaik sind in den vergangenen Jahren günstiger geworden – und die Preise dürften weiter fallen. Cardozo gibt etwa zu bedenken, dass der Strommarkt ab 2050 bereits mit klimafreundlichen Energien gesättigt sein könnte. Bis dahin könnte auch die Speicherfrage gelöst sein.

Die aktuellen Klimaziele müssen wir nach dem derzeitigen Stand ohnehin ohne Kernfusion erreichen. Doch auch in 30, 50 oder 100 Jahren schadet es nicht, eine weitere saubere Energiequelle zur Verfügung zu haben. Weil Fusionsreaktoren erst einmal Wärme und nicht Strom produzieren, könnte diese in Zukunft direkt genutzt werden – etwa um Meerwasser zu entsalzen, für Fernwärme, zur Wasserstoffproduktion oder gar als Antrieb für eine Marsmission.

Doch die 30 Jahre bis zur nutzbaren Fusionsenergie, sie könnten jetzt endlich begonnen haben.
(Philip Pramer, Reinhard Kleindl, 16.12.2022)

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josef

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#7
SCHLÜSSELROHSTOFF LITHIUM
Ist der Brennstoff für Kernfusion wirklich unbegrenzt vorhanden?
Für den Betrieb künftiger Kernfusionsreaktoren braucht es seltene Wasserstoffisotope. Hergestellt werden die ausgerechnet aus dem Batterierohstoff Lithium

Das Innere eines Fusionsreaktors vom Typ Tokamak. Das Plasma soll die Wände nie berühren, doch das Material ist dauerndem Bombardement durch Neutronen ausgesetzt. Dieser Effekt soll in künftigen Fusionskraftwerken zur Erzeugung von Brennstoff genutzt werden.
Foto: AFP PHOTO / CHINESE ACADEMY OF SCIENCES

Unbegrenzte, saubere Energie – so lautet das Versprechen der Kernfusionstechnologie. Die Argumente sind einleuchtend, denn während Kernkraftwerke auf Uran setzen, das unter hohem Energieaufwand abgebaut werden muss, ist der Fusionsbrennstoff Wasserstoff in den Meeren in praktisch unbegrenzter Menge vorhanden. Wie es geht, zeigt die Sonne vor, die ständig Wasserstoffatome zu Helium verschmilzt und so praktisch alles Leben auf der Erde mit Energie versorgt. Der jüngste Durchbruch in einem US-Labor, bei dem erstmals mehr Fusionsenergie erzeugt wurde, als zum Start der Reaktion eingebracht werden musste, nährte Hoffnungen, das Ende der Energieprobleme könnte nah sein.

Dass es verschiedene Hemmschuhe gibt, wurde trotz des sensationellen Durchbruchs schnell klar. Einer davon betrifft den Fusionsbrennstoff Wasserstoff. Das Bild mit den Meeren voll mit fusionstauglichem Wasserstoff ist nämlich nicht ganz richtig.

Fehlende Neutronen
Tatsache ist, dass Wasserstoffkerne zu Heliumkernen verschmelzen können und dabei Energie freigeben. Dass das funktioniert, ist bei genauerer Betrachtung allerdings nicht selbstverständlich. Der Kern eines Wasserstoffatoms besteht nämlich aus einem einzigen Proton. Helium hingegen hat neben zwei Protonen auch zwei Neutronen in seinem Kern. Der Prozess der Entstehung von Helium aus Wasserstoff besteht aus mehreren Schritten, die eine Umwandlung von Protonen zu Neutronen beinhaltet.

Doch abgesehen davon ist der Effekt wie gewünscht: Wasserstoff wird zu Helium umgewandelt, und dabei entsteht Energie. Das Problem für Kernfusion als Kraftwerkstechnologie besteht darin, dass der in der Sonne ablaufende Prozess auf der Erde nicht sinnvoll zu realisieren ist.
Für irdische Fusionsreaktoren wird deshalb eine andere Fusionsreaktion ins Auge gefasst, die mit Wasserstoffisotopen arbeitet. Isotope eines chemischen Elements zeichnen sich dadurch aus, dass die Anzahl der Protonen im Atomkern, der die chemischen Eigenschaften bestimmt, gleich bleibt, aber die Anzahl der Neutronen verändert ist. Isotope sind also in vieler Hinsicht kaum von den Originalen zu unterscheiden, was in der Wissenschaft äußerst gewinnbringend verwendet wird, etwa bei der C14-Datierung oder bei Stoffwechselanalysen.


Im Zentrum dieser Kammer im kalifornischen Lawrence Livermore National Laboratory wurde erstmals eine Fusionsreaktion erzielt, die mehr Energie ablieferte, als eingestrahlt wurde.
Foto: AFP PHOTO / Phillip Saltonstall / Lawrece Livermore National Laboratory

Wie schon erwähnt, besteht der Kern eines Wasserstoffatoms normalerweise aus einem einzigen Proton. Bei den Isotopen des Wasserstoffs, Deuterium und Tritium, kommen einmal ein, einmal zwei Neutronen hinzu. Damit steigt das Gewicht, weshalb Wasser mit Deuterium statt des originalen Wasserstoffs schweres Wasser genannt wird.

Zwei Kerne des Isotops Deuterium enthalten also im Gegensatz zu zwei Wasserstoffkernen bereits die richtige Menge an Protonen und Neutronen zur Bildung eines Heliumkerns. Tatsächlich wird die Fusion von Deuteriumkernen als Möglichkeit für kommerzielle Kernfusion diskutiert. Für die Fusionstechnik ist aber eine andere Reaktion am günstigsten: die Verschmelzung von Deuterium und Tritium. Dabei fällt ein überschüssiges Neutron an, das als Strahlung aus dem System entlassen wird.

Fusion bei geringem Druck
Ein wesentlicher Vorteil dieser Reaktion ist, dass sie bei vergleichsweise geringem Druck stattfindet. Normalerweise lassen sich Gase technisch ganz einfach unter Druck setzen, wie sich etwa beim Aufpumpen eines Fahrradreifens zeigt. Kernfusionsreaktoren arbeiten allerdings mit extrem heißen Gasen. Sobald diese die Wände eines Behälters berühren, kühlen sie ab. Das würde sich in einem Fusionsreaktor als Verlust an Effizienz bemerkbar machen. Das Fusionsplasma eines möglichen Reaktors wird also bei den derzeit gängigen Entwürfen nicht einfach in einen Behälter eingeschlossen, sondern mithilfe eines speziell geformten Magnetfeldes, sodass es nie in Berührung mit festen Wänden kommt. Auf diese Weise lassen sich gerade einmal einige Bar Druck erreichen – genug, um eine Fusion von Deuterium und Tritium zu ermöglichen. Doch Tritium ist im Gegensatz zu Wasserstoff und Deuterium radioaktiv, und hier beginnen die Schwierigkeiten.

Diese liegen weniger in der auftretenden Strahlung, es ist als Beta-Strahler relativ harmlos, solange es nicht ins Innere des Körpers gelangt, und hat außerdem eine geringe Halbwertszeit von etwa zwölf Jahren, löst sich also schnell auf. Die kurze Lebensdauer ist allerdings dafür verantwortlich, dass es auf der Erde äußerst selten ist. Tritium existiert nur dort, wo es laufend nachproduziert wird, etwa in der irdischen Atmosphäre, unter dem Bombardement der kosmischen Strahlung. Die Mengen sind allerdings zu gering, um eine kommerzielle Verwertung zu erlauben, ganz im Gegensatz zu Deuterium, das in ausreichenden Mengen aus Meerwasser gewonnen werden kann.

Um Tritium zu produzieren, braucht es eine Kernreaktion. Rohstoff dafür ist ausgerechnet das Metall Lithium. Bestrahlt man es mit Neutronen, entsteht neben Helium auch das wertvolle Tritium. Möglich ist die Produktion also überall, wo es Neutronenstrahlen gibt, etwa in konventionellen Kernkraftwerken.


Die Baustelle des Iter-Reaktors, einer riesigen Fusionsanlage vom Typ Tokamak. Sein Nachfolger Demo soll erstmals Tritium aus Lithium selbst herstellen.
Foto: CLEMENT MAHOUDEAU / AFP

Das ist allerdings aus Sicht der Fusionsforschung unbefriedigend. Kernfusion soll schließlich konventionelle Kernkraft ersetzen und nicht von ihr abhängig sein. Glücklicherweise entsteht auch in Fusionsreaktoren genügend Neutronenstrahlung, um ausreichend Tritium aus Lithium zu erzeugen. Aktuell verfolgt man die Idee, die Innenräume von Fusionsreaktoren mit Platten aus Lithium auszukleiden. Derzeit wird dafür oft Kohlenstoff in Form von Graphit verwendet, der allerdings abgetragen wird und das Fusionsgas kontaminiert. Für die Zukunft sind gekühlte Boxen mit lithiumhaltigem Material angedacht, die ein Absaugen des entstehenden Tritiums erlauben. Hier soll auch Wolfram eine Rolle spielen.

Das richtige Lithium-Isotop
Dass ein Bestrahlen von Lithium automatisch Tritium erzeugt, ist allerdings nicht ganz korrekt. Genau genommen braucht es dazu ein bestimmte Lithium-Isotop, nämlich 6Li. Glücklicherweise liegt Lithium in der Natur als Gemisch der Isotope 6 und 7 vor, wobei 6Li etwas mehr als sieben Prozent ausmacht. Tatsächlich kann auch 7Li in Tritium umgewandelt werden – eine Tatsache, die bei ersten US-amerikanischen Wasserstoffbombentests für Verwirrung sorgte, weil der Effekt nicht einkalkuliert wurde und so die Explosion der Bombe Castle Bravo zweieinhalbmal so heftig war wie vorhergesagt, womit sie bis heute die stärkste von den USA gezündete Wasserstoffbombe ist.
Für Fusionsreaktoren ist dieser Prozess der Tritiumproduktion allerdings nicht geeignet. Der Anteil an 6Li müsste also auf einen zweistelligen Prozentanteil erhöht werden, was eine technische Herausforderung darstellt, an der aktuell geforscht wird.

Es bleibt die Frage nach der Verfügbarkeit von Lithium, um die es aktuell aufgrund des stark steigenden Bedarfs in Elektroautos Diskussionen gibt. Lithium wird schließlich bei der Tritiumproduktion zerstört, während bei ausrangierten Akkus immerhin die Hoffnung auf ein späteres Recycling bleibt.

Konkurrenzlose Energiedichte
Hier spielt Kernfusion ihren größten Trumpf aus, der das Gerücht der endlos verfügbaren Energie ursprünglich derart anheizte. Fusion liefert große Energiemengen aus extrem geringen Mengen Brennstoff. Ein Gramm eines Deuterium-Tritium-Gemischs soll in Fusionsreaktoren eine Energieausbeute wie das Verbrennen von zwölf Tonnen Kohle ermöglichen. Der Bedarf an Lithium für Kernfusion wäre im Vergleich zu dem für Batterien gering.

Auch wenn nichts auf der Welt unendlich ist, ist die Verfügbarkeit von Fusionsbrennstoff nicht die größte Hürde für die Energiegewinnung aus Kernfusion, sofern die Produktion von Tritium aus Lithium in Tokamak-Reaktoren gelingt. Die wirklichen Hindernisse liegen woanders.
(Reinhard Kleindl, 30.12.2022)

Studie
Development of a viable route for lithium-6 supply of DEMO and future fusion power plants

Ist der Brennstoff für Kernfusion wirklich unbegrenzt vorhanden?
 
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