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Fusionsenergie
Fusionsenergie bezeichnet mittels großtechnischer Nutzung der thermonuklearen Kernfusion erzeugten elektrischen Strom. Anlagen, die diesen Prozess nutzen, …
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Grundidee und Perspektive
Fusionsenergie bezeichnet elektrischen Strom, der durch die großtechnische Nutzung der thermonuklearen Kernfusion erzeugt wird. In einem Kernfusionsreaktor wird ein plasmaförmiger Brennstoff so erhitzt, dass Atomkerne miteinander verschmelzen. Die dabei entstehende thermische Energie soll anschließend in elektrische Energie umgewandelt werden.
Die Aussicht besteht darin, aus kleinen Brennstoffmengen sehr große Energiemengen zu gewinnen. Als Vorteile gelten eine langfristig praktisch unerschöpfliche Brennstoffversorgung, keine katastrophalen Störfälle wie bei bestimmten Kernspaltungsreaktionen und keine Endlagerung langlebiger radioaktiver Abfälle. Seit den 1960er Jahren wird deshalb international geforscht. Entscheidend ist, den Wirkungsgrad so weit zu steigern, dass Fusionskraftwerke kostendeckend und wirtschaftlich arbeiten.
Im Oktober 2025 beschloss das deutsche Bundeskabinett den Aktionsplan „Deutschland auf dem Weg zum Fusionskraftwerk“. Er soll innovationsfreundliche Rahmenbedingungen schaffen und Forschung sowie Industrie bei der Entwicklung marktreifer Technologien unterstützen. Einen merklichen Beitrag von mindestens 1 TW zur Energieversorgung wird die Kernfusion voraussichtlich frühestens im Laufe des 22. Jahrhunderts leisten. Deshalb kann sie laut Artikel keine Rolle bei der weltweiten Energiewende spielen.
Forschungsprojekte und Reaktortypen
Das derzeit aufwendigste Projekt ist ITER, ein internationaler Forschungsreaktor vom Typ Tokamak, der seit 2007 in Südfrankreich gebaut wird. Seine Inbetriebnahme wurde mehrfach verschoben und die Kosten stiegen. Der Betriebsstart mit Deuterium-Plasma ist für 2034 geplant, der Versuchsbetrieb mit Deuterium-Tritium-Plasma für 2039. Nach älteren Planungen soll fünf Jahre später der Leistungsbetrieb beginnen. ITER soll 500 MW Fusionsleistung bei 50 MW Heizleistung für 1000 Sekunden zeigen.
Auf den Ergebnissen von ITER soll das Nachfolgekraftwerk DEMO beruhen. In einem vergrößerten Tokamak sollen wichtige Konstruktionsentscheidungen getroffen werden. DEMO soll mehrere 100 MW leisten, erstmals großtechnisch Strom aus Fusion erzeugen und genügend Tritium im Kraftwerk selbst erbrüten. Als Demonstrationsreaktor soll es außerdem die Kosten bestimmen; wirtschaftlich soll sein Betrieb noch nicht sein. Zwanzig Jahre nach dem Erreichen eines brennenden Hochleistungsplasmas bei ITER soll DEMO die großtechnische Stromerzeugung ermöglichen.
Seit etwa 2010 gründen sich zusätzlich privat finanzierte Start-ups, die häufig alternative Fusionskonzepte verfolgen und eine Energieproduktion vor ITER versprechen. Genannt werden TAE Technologies, Commonwealth Fusion Systems und Proxima Fusion. Neben dem magnetischen Einschluss, der bei ITER verwendet wird, wird an der Trägheitsfusion gearbeitet. Dabei wird Energie schlagartig zugeführt; ein kurzzeitiger Fusionsbrand endet, wenn das erhitzte Material auseinanderfliegt.
In Deutschland sind Wendelstein 7-X in Mecklenburg-Vorpommern und Proxima Fusion in Bayern wichtige Projekte. Wendelstein 7-X in Greifswald nutzt einen Stellarator. Dort wurden wiederholt Fusionsprozesse mit zunehmend längerer Laufzeit erreicht. Betreiber ist das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik. Proxima Fusion plant eine Modellspule bis 2027 und den Demonstrations-Stellarator „Alpha“ bis 2031. Dieser soll erstmals über längere Zeit mehr Energie liefern als verbrauchen. Das Projekt wird überwiegend durch privates Risikokapital und zusätzlich öffentlich finanziert.
In den USA entwickeln Commonwealth Fusion Systems und das Plasma Science and Fusion Center des Massachusetts Institute of Technology den kompakten Tokamak SPARC. Die privat finanzierte Anlage soll in den frühen 2030er Jahren mit Hochtemperatursupraleitern und etwa 140 MW Leistung in Betrieb gehen; ein erstes Plasma mit Q>1 ist für 2027 vorgesehen.
Technische Realisierbarkeit
Das technisch am weitesten entwickelte Konzept für den dauerhaften Einschluss eines thermonuklear reagierenden Plasmas ist der Tokamak. Er hat jedoch verschiedene Plasmainstabilitäten. Außerdem kann die ursprüngliche Bauart wegen des induktiv erzeugten Plasmastroms nur gepulst betrieben werden. Für einen dauerhaften Strom werden Zusatztechniken zum Stromtrieb erforscht.
Beim Stellarator werden weniger grundsätzliche Stabilitätsprobleme erwartet, und ein gleichmäßiger Dauerbetrieb ist prinzipiell möglich. In der Praxis ist dieses Konzept jedoch weniger weit entwickelt, obwohl es deutlich günstiger zu bauen ist als ein Tokamak. Ob DEMO als Tokamak oder Stellarator gebaut werden soll, war 2022 noch nicht entschieden.
Ein wichtiges Fortschrittsmaß ist das Tripelprodukt. Es beschreibt eine Bedingung für die Zündung und muss sich einem durch das Lawson-Kriterium bestimmten Wert annähern, damit die Fusionsreaktion aufrechterhalten werden kann und ein Reaktor wirtschaftlich wird. Seit den 1960er Jahren wurde das Tripelprodukt etwa um das 10.000-Fache gesteigert. Anfang 2016 lag man nach Artikelangaben nur noch um einen Faktor von sieben bis zehn von der Zündung entfernt.
JET erreichte 1997 für weniger als 200 Millisekunden 16 MW Fusionsleistung bei 24 MW Heizleistung. Für ITER ist vorgesehen, 500 MW Fusionsleistung bei 50 MW Heizleistung zu demonstrieren. Der Q-Faktor, also das Verhältnis von Fusionsleistung zu Heizleistung, würde dann zehn betragen.
Prognosen für stromliefernde Fusionsreaktoren lagen über Jahrzehnte jeweils etwa 30 bis 50 Jahre in der Zukunft. Kritiker bezeichnen diese Zeitspanne spöttisch als „Fusionskonstante“. Gründe für Verzögerungen sind die komplexe Plasmaphysik, Temperaturen von über 100 Millionen Grad, neuartige technische und materialtechnische Probleme sowie politische Verzögerungen bei Finanzierung, Bau und Betrieb großer Anlagen. Ende April 2016 erklärte das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Experimente hätten gezeigt, dass ein Tokamak-Dauerbetrieb technisch machbar sei; damit seien die Bedingungen für ITER und DEMO nahezu erfüllt.
Wirtschaftlichkeit und Rolle im Energiesystem
Technische Machbarkeit bedeutet nicht automatisch wirtschaftlichen Betrieb. Ein Sachstandsbericht des Deutschen Bundestages von 2002 hielt es für umstritten, ob nach DEMO konkurrenzfähige Fusionskraftwerke entstehen. Anfangsschwierigkeiten könnten weitere staatliche Unterstützung erfordern. Andere Studien erwarten Stromkosten, die mit denen erneuerbarer Energiequellen vergleichbar sind. Nach Einbeziehung externer Kosten könnten Fusionskraftwerke sogar zur zweitbilligsten Stromquelle werden.
Im Januar 2025 veröffentlichte das Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag einen neuen Bericht. Danach sei ein Energie lieferndes Fusionsplasma in absehbarer Zeit erreichbar, ein kommerzielles Kraftwerk aber erst nach weiteren Jahrzehnten. Offen seien unter anderem Wirtschaftlichkeit, die Einbindung in ein erneuerbares Energiesystem, die Beständigkeit der Materialien und die gesellschaftliche Akzeptanz.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik kritisierten den Bericht als fehlerhaft und irreführend. Sie bemängelten unter anderem Darstellungen der europäischen Roadmap ITER–DEMO–PROTO, übertriebene Angaben zu Schäden durch Neutronen sowie fehlende aktuelle Fortschritte bei supraleitenden Magneten. Nach Darstellung des IPP sei PROTO seit zwei Jahrzehnten kein Thema mehr; außerdem würden Materialbelastungen überzeichnet und Entwicklungen bei Commonwealth Fusion Systems sowie dem chinesischen BEST-Projekt nicht berücksichtigt.
DEMO soll einige 100 MW elektrische Leistung erzeugen und eine hohe Verfügbarkeit zeigen. Da Bau- und Finanzierungskosten den größten Teil der Gesamtkosten ausmachen, wären Fusionskraftwerke besonders als Grundlastkraftwerke geeignet. Eine ältere Annahme von 2002 setzte ihre Leistungsverfügbarkeit auf 75 %, während andere Großkraftwerke teilweise über 95 % erreichen. Häufige ungeplante Unterbrechungen oder lange Wartungszeiten könnten Fusionskraftwerke daher unattraktiv machen. Für ein Energiesystem mit hohem Anteil erneuerbarer Energien hält der Sachverständigenrat für Umweltfragen Grundlastkraftwerke allerdings für weniger passend; dort würden schnellstartende Kraftwerke und Regelenergie benötigt.
Umwelt- und Sicherheitsaspekte
Im Vergleich zu Kohle, Öl und Gas würden Fusionskraftwerke keine Abgase und insbesondere kein CO2 ausstoßen. Die Brennstoffe wären langfristig verfügbar und ihre Gewinnung würde als kostengünstig und hinsichtlich der Umweltrisiken unproblematisch beschrieben. Im Gegensatz zu Kernspaltungsreaktoren kann die Fusionsreaktion nicht überkritisch werden oder thermisch durchgehen: Verliert das Plasma den magnetischen Einschluss, kühlt es an der Wand ab und die Reaktion bricht ab.
Fusionskraftwerke wären jedoch nicht frei von Radioaktivität. Wie bei Kernspaltungsreaktoren würden Neutronen die Strukturmaterialien erheblich aktivieren. Das radioaktive Gesamtinventar könnte während des Betriebs mit dem eines Spaltreaktors gleicher Leistung vergleichbar sein. Sehr langlebige Abfälle könnten dennoch vermieden werden. Stark belastete Teile wie Divertor und Blanket müssten regelmäßig ausgetauscht und zwischengelagert werden. Dieser Austausch wäre wegen der komplizierten Geometrie aufwändiger als der Brennelementwechsel in einem Kernreaktor.
Für den Betrieb wird Tritium benötigt. Transporte radioaktiven Brennstoffs wären nur zur einmaligen Erstversorgung mit rund 1 kg Tritium nötig; Lithium und Deuterium sind nicht radioaktiv. Tritium wird im Blanket erbrütet, innerhalb der Anlage extrahiert und wieder verwendet. Bei einer 1-GW-Anlage läge der Vorrat für eine Betriebswoche bei einigen Kilogramm und hätte eine Aktivität von 10^18 Bq. Das entspreche ungefähr der Aktivität des bei Tschernobyl freigesetzten radioaktiven Iods, aber nur einem kleinen Teil der mehr als 600 kg Tritium, die durch Kernwaffentests im 20. Jahrhundert in die Atmosphäre gelangten.
Tritium kann bei Wartungsarbeiten zu Kontaminationen führen. Die Kontamination von Kohlenstoffwänden war 2008 noch problematisch. Nach der Ausstattung von JET mit einer Wolframwand war 2021 die Einlagerung von Tritium durch chemische Reaktion gelöst; geeignete Wandmaterialien sollen im größeren Maßstab bei ITER überprüft werden. Insgesamt wären Deuterium-Tritium-Reaktoren somit radioaktiv belastet, könnten bei Sicherheit und Umweltverträglichkeit aber gegenüber herkömmlichen Spaltungsreaktoren Vorteile haben.
Risiken der Kernwaffenverbreitung
Die Fusionstechnologie überschneidet sich nur begrenzt mit der Kernwaffentechnik, kann aber theoretisch die Herstellung militärisch nutzbarer Materialien erleichtern. In Fusionsreaktoren entstehen große Mengen Tritium. Ein kleiner, militärisch ausreichender Anteil könnte nur schwer kontrolliert werden. Bereits einige Gramm eines Deuterium-Tritium-Gemischs können als Fusions-Booster die Energiefreisetzung und Zerstörungskraft einer Atombombe deutlich steigern. Das Risiko betrifft sowohl Tritium selbst als auch das Wissen über seine Herstellung.
Wird im Blanket angereichertes ^6Li verwendet, wären großtechnische Anlagen zur Lithium-Anreicherung erforderlich. Angereichertes ^6Li kann die Sprengkraft von Wasserstoffbomben erhöhen. Außerdem könnte die harte Neutronenstrahlung eines Fusionsreaktors prinzipiell ^238U in ^239Pu oder ^232Th in ^233U umwandeln.
Eine Studie von R. J. Goldston, A. Glaser und A. F. Ross bewertete die Herstellung waffenfähigen Plutoniums oder Urans in einem Fusionsreaktor als auffällig und wegen des hohen Energieverbrauchs sowie der entstehenden Wärme gegenüber Gaszentrifugen als sehr unplausibel. Im regulären Betrieb reiner Fusionskraftwerke gäbe es kein brütbares oder spaltbares Material. Solche Materialien wären durch charakteristische Gammastrahlung erkennbar. Als realistischste Gefahr nennt die Studie ein unerlaubt mit Uranoxid ausgestattetes Modul des Brutmantels. Durch Kontrollen angelieferter Komponenten müsse verhindert werden, dass damit jährlich Plutonium für mehrere Kernwaffen erzeugt wird.
Eine militärische Produktion würde selbst ohne verdeckte Handlungen etwa zwei Monate Vorlauf und mindestens eine weitere Woche für eine nennenswerte Menge benötigen. Das könne eine Entdeckung und Reaktion ermöglichen. Eine andere Studie kommt jedoch zu dem Ergebnis, dass große Fusionsreaktoren jährlich bis zu einige hundert Kilogramm waffentaugliches Plutonium mit vergleichsweise geringen Anforderungen an das Ausgangsmaterial produzieren könnten. Die Angaben und Bewertungen sind damit umstritten. Intrinsische Sicherheitsmerkmale, die eine militärische Nutzung erschweren, müssten nach dieser Studie möglicherweise bereits im frühen Forschungsstadium festgelegt werden.
