Kernfusionsreaktor

Grundidee und Bedeutung

Ein Kernfusionsreaktor oder Fusionsreaktor ist eine technische Anlage, in der die Kernfusion von Deuterium und Tritium als thermonukleare Reaktion kontrolliert ablaufen soll. Deuterium und Tritium sind Wasserstoff-Isotope, also Varianten des Wasserstoffs mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Geeignete Fusionsreaktoren zur Stromerzeugung in einem Fusionskraftwerk existieren noch nicht.

Die Entwicklung gilt als mögliche Energiequelle der Zukunft, weil man sich eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle ohne das Risiko katastrophaler Störfälle und ohne Endlagerung langlebiger radioaktiver Abfälle erhofft. Dieses Ziel wird seit den 1960er Jahren verfolgt, kommt aber wegen hoher technischer Hürden und unerwarteter physikalischer Phänomene nur langsam voran.

Die Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf Tokamak und Stellarator. Beide Konzepte nutzen magnetischen Einschluss: Ein sehr heißes, elektrisch leitendes Plasma wird durch starke Magnetfelder so gehalten, dass es die Gefäßwand nicht berührt. Wichtige europäische Versuchsanlagen sind JET in Culham, ASDEX Upgrade in Garching bei München und Wendelstein 7-X in Greifswald. Das größte Projekt ist ITER, ein internationaler Tokamak, der seit 2007 in Cadarache in Südfrankreich gebaut wird.

Physik der Fusion

Bei einer Kernfusion verschmelzen Atomkerne zu einem neuen Kern. Energie wird frei, wenn die entstehenden Kerne insgesamt stärker gebunden sind als die Ausgangskerne. Nach der Beziehung E_0 = mc^2 entspricht die Massendifferenz der freigesetzten Bindungsenergie. Für technische Konzepte ist vor allem die Reaktion von Deuterium und Tritium wichtig:

^{2}H + ^{3}H → ^{4}He + n + 17,6 MeV

Dabei entsteht ein Heliumkern, auch Alphateilchen genannt, und ein schnelles Neutron. Die Energie verteilt sich im Verhältnis 1:4 auf Alphateilchen und Neutronen. Vier Fünftel der Energie verlassen also als Neutronen das Plasma und können später im Blanket genutzt werden.

Damit Atomkerne fusionieren, müssen sie sich auf etwa 2,5 Femtometer nahekommen. Die elektrische Abstoßung zwischen den positiv geladenen Kernen muss durch hohe Temperatur überwunden werden. In einem Reaktor werden wenige Gramm eines Deuterium-Tritium-Gemischs im Verhältnis 1:1 in ein gut evakuiertes, viele Kubikmeter großes Reaktionsgefäß eingelassen. Die Teilchendichte entspricht einem Fein- bis Hochvakuum. Bei etwa 150 Millionen Kelvin und etwa 10^20 m^-3 finden Fusionsreaktionen statt.

Ein Plasma gilt als „gezündet“, wenn die Energie der Alphateilchen ausreicht, um die Temperatur ohne äußere Heizung zu halten. Dafür muss das Tripelprodukt aus Teilchendichte, Temperatur und Energieeinschlusszeit nach dem Lawson-Kriterium einen Mindestwert überschreiten. Für einen energieliefernden Reaktor muss die vollständige Zündung aber nicht unbedingt erreicht werden; auch mit ständiger Zusatzheizung kann eine ausreichende Reaktionsrate entstehen und zugleich die Leistung besser gesteuert werden.

Technik des Reaktors

Das Plasma muss auf über 100 Millionen Kelvin aufgeheizt und durch ein Magnetfeld gegen seinen Druck zusammengehalten werden. Bei Wandkontakt würde es sofort auskühlen und die Reaktion abbrechen. Um die Plasmakammer liegen supraleitende Elektromagnete, die Magnetfelder bis etwa 12 Tesla erzeugen können. Supraleitende Spulen sind nötig, weil normalleitende Spulen bei längerem Betrieb durch ihren elektrischen Widerstand zu stark erhitzen würden.

Zur Plasmaaufheizung gibt es mehrere Methoden. Beim elektrischen Aufheizen wirkt das Plasma als Leiter und wird durch einen induzierten Strom erhitzt; oberhalb von etwa 20 bis 30 Millionen Kelvin reicht der elektrische Widerstand dafür aber nicht mehr gut aus. Beim Neutralteilchen-Einschuss werden schnelle neutrale Atome in das Plasma geschossen, dort ionisiert und geben ihre Bewegungsenergie durch Stöße ab. Elektromagnetische Wellen wie Mikrowellen können Ionen und Elektronen auf Resonanzfrequenzen anregen; Beispiele sind ICRH, ECRH und LHRH. Außerdem kann magnetische Kompression das Plasma ähnlich wie ein Gas durch schnelles Zusammenpressen erwärmen.

Tokamak und Stellarator unterscheiden sich darin, wie sie das verdrillte torusförmige Magnetfeld erzeugen. Beim Tokamak entsteht ein Teil des Feldes durch elektrischen Strom im Plasma. Das ist technisch weit fortgeschritten und wird bei ITER verfolgt, hat aber in der ursprünglichen Betriebsweise den Nachteil eines gepulsten Betriebs mit Unterbrechungen. Stellaratoren erzeugen die Verdrillung durch kompliziert geformte Magnetspulen und können grundsätzlich kontinuierlich arbeiten. Divertoren lenken unerwünschte Ionen wie Helium und Verunreinigungen an den Rand, wo sie neutralisiert und abgesaugt werden können.

Brennstoff und Energiegewinnung

Deuterium ist im Wasser der Erde aus technischer Sicht in unerschöpflichen Mengen vorhanden; genannt werden 2,5 · 10^13 t im Meerwasser. Tritium kommt wegen seiner Halbwertszeit von etwa 12 Jahren nicht im Meerwasser vor. Es kann zunächst in Kernspaltungsreaktoren gewonnen werden, besonders in Schwerwasserreaktoren wie CANDU, wo etwa 1 kg Tritium pro 5 GWa erzeugter elektrischer Energie anfällt. Ein Fusionskraftwerk mit 1 GW elektrischer Leistung würde aber jährlich etwa 225 kg Tritium verbrauchen, also deutlich mehr, als heutige Schwerwasserreaktoren liefern können.

Darum soll Tritium im Reaktor selbst aus Lithium-6 erbrütet werden. Die Brutreaktion lautet:

^{6}Li + n → ^{4}He + ^{3}H + 4,8 MeV

Das Plasma wird dafür von einem Brutmantel, dem Blanket, umgeben. Da pro verbrauchtem Tritiumatom genau ein Neutron entsteht, aber Neutronenverluste unvermeidlich sind, müssen die Neutronen im Blanket um etwa 30 bis 50 % vermehrt werden. Entwürfe nutzen dafür (n,2n)-Reaktionen an Beryllium oder Blei. Ob das Tritiumbrüten in der Praxis effizient genug funktioniert, ist eine zentrale offene Aufgabe. Einige Wissenschaftler, etwa Michael Dittmar vom CERN, halten die Selbstversorgung für unrealistisch; die meisten Fusionsforscher sehen darin laut Artikel keine prinzipiellen Probleme.

Während des Betriebs muss Brennstoff nachgefüllt werden. Dafür eignen sich Pellets aus gefrorenem Deuterium-Tritium-Gemisch, zum Beispiel mit 1 mg Masse, die mit etwa 1000 m/s eingeschossen werden. Wird die Nachfüllung gestoppt, enden auch die Fusionsreaktionen. Die nutzbare Energie stammt vor allem aus den Neutronen: Von 17,6 MeV pro Reaktion tragen sie 14,1 MeV. Im Blanket geben sie diese Energie als Wärme ab. Über Wärmetauscher kann daraus Wasserdampf entstehen, der Dampfturbinen und Generatoren antreibt.

Materialien, Forschung und offene Fragen

Die Reaktorwerkstoffe müssen extremen Bedingungen standhalten. Die 14,1-MeV-Neutronen treffen mit einer Flussdichte von etwa 10^14 s^-1·cm^-2 auf die dem Plasma zugewandte Seite des Blankets. Das entspricht bei dieser Energie etwa 2,2 MW/m². In einem DEMO-Entwurf soll das Blanket 20.000 Betriebsstunden, also etwa 2,3 Jahre, erreichen. Neutronen verursachen Versprödung, Schwellung und Aktivierung, also die Bildung radioaktiver Nuklide im Material.

Für künftige Kraftwerksreaktoren werden niedrig aktivierbare Werkstoffe gesucht, die unter Neutronenbestrahlung stabil bleiben und Anforderungen wie Stabilität, Amagnetismus oder Vakuumdichtigkeit erfüllen. Untersucht werden unter anderem nickelfreie ferritisch-martensitische Stähle, Vanadiumlegierungen, Siliziumcarbid und Wolfram für plasmazugewandte Flächen. Aktivierte Teile müssten nach der Inbetriebnahme ferngesteuert gewartet werden. Der größte Teil soll nach etwa 100 Jahren kontrollierter Lagerung recycelt werden können; ein kleinerer Teil müsste ungefähr 500 Jahre gelagert werden.

Der Forschungsstand hat sich stark verbessert: Seit den Ergebnissen des russischen Tokamak T3 von 1968 wurde das Tripelprodukt um etwa den Faktor 10.000 gesteigert; es liegt noch etwa um den Faktor sieben unter der Zündung, für die ungefähr 10^21 keV s/m³ nötig sind. In kleineren Tokamaks wurden Temperaturen von über 100 Millionen Kelvin erreicht. Eine positive Energiebilanz wurde 2022 in der National Ignition Facility in den USA gemeldet: etwa 3 MJ Fusionsenergie nach Einsatz von etwa 2 MJ Laserenergie. Für diese Laserenergie wurden jedoch 300 MJ elektrische Energie benötigt. ITER soll etwa zehnmal so viel Fusionsleistung liefern, wie zur Plasmaheizung nötig ist.

Alternativen und Wirtschaftlichkeit

Neben Deuterium-Tritium-Fusion in Tokamaks und Stellaratoren gibt es weitere Konzepte. Andere Brennstoffkombinationen wie Deuterium-Deuterium oder Deuterium-Helium3 wären prinzipiell möglich und könnten Vorteile bei Beschaffung oder Strahlenbelastung haben, verlangen aber deutlich höhere Temperaturen oder Dichten. Der Trägheitseinschluss mit Lasern befindet sich im Stadium der Grundlagenforschung. Kalte Fusion gilt nach Ansicht der meisten Wissenschaftler nicht als mögliche Alternative, weil die behaupteten Energiefreisetzungen dem aktuellen Stand der Physik widersprechen.

Die Wirtschaftlichkeit von Fusionsreaktoren ist derzeit höchst spekulativ. Einige Studien erwarten höhere Stromgestehungskosten als bei konkurrierenden Technologien, andere halten Kosten vergleichbar mit erneuerbaren Energiequellen für möglich. Als gesichert gilt, dass Investitionen die Stromgestehungskosten dominieren und Betriebskosten eine untergeordnete Rolle spielen. Fusionskraftwerke wären kapitalintensive Großprojekte zur zentralen Grundlastversorgung.

Erst nach einem technischen Machbarkeitsnachweis, zum Beispiel mit ITER, lassen sich mit Nachfolgereaktoren wie DEMO die Kosten kommerzieller Kernfusionskraftwerke abschätzen. Kritiker weisen darauf hin, dass selbst technisch ausgereifte konventionelle Atomkraftwerke heute kaum noch mit günstiger werdendem Strom aus Wind und Sonne konkurrieren können und dass Stromspeicherung ebenfalls billiger werde.