Durchbruch bei der Kernfusion

An der National Ignition Facility wurde ein spektakulärer Durchbruch bei der Kernfusion erzielt.

Es gibt zwei Arten der Kernenergienutzung: die Kernspaltung, die in den derzeitigen Kernkraftwerken genutzt wird, und die Kernfusion. Bei der Kernspaltung werden Uranatome in kleinere Atome gespalten, um Energie freizusetzen. Die Kernfusion ist im Prinzip der umgekehrte Prozess: Leichte Atome werden in schwerere Atome umgewandelt. Das ist derselbe Vorgang, der im Plasmakern der Sonne stattfindet und unseren Planeten mit jeder Menge Energie versorgt. Wenn man diesen Fusionsprozess auf der Erde imitieren könnte, wäre das wohl die Lösung für all unsere Energieprobleme – die Nutzung der Kernfusion könnte eine praktisch unbegrenzte Energiequelle bedeuten. Sie würde keine langfristigen Abfälle produzieren, keine Treibhausgase ausstoßen und kein Risiko von Kernschmelzen mit sich bringen. Deswegen träumt man schon lange von Kernfusionskraftwerken, doch bisher war das eben nur ein Traum. Es gibt unter Kernfusionsforschern den alten Witz: Fusionsreaktoren sind nur noch 20 Jahre entfernt! Und werden es auch immer sein! Dabei ist Fusion selbst technisch schon möglich. Doch das Problem ist, dass man am Ende ein Netto-Energie-Plus erzielen muss. Den Start der Energieerzeugung bezeichnet man als Zündung. Der derzeitige Rekord wurde 1997 vom Joint European Torus in Großbritannien aufgestellt, wo 16 Megawatt Leistung durch Magnetfusion erzeugt wurden, aber 23 Megawatt zur Zündung erforderlich waren. Das heißt: Beim besten Ergebnis, das man bisher erzielt hat, hat man netto jede Menge Energie verloren. 

Fusionskammer der National Ignition Facility

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Kernfusion zu erreichen: den magnetischen Einschluss, bei dem starke Magnete verwendet werden, um das Brennstoffplasma für sehr lange Zeiträume einzuschließen, und den Trägheitseinschluss, bei dem sehr starke und kurze Laserpulse verwendet werden, um den Brennstoff zu komprimieren und die Fusionsreaktion in Gang zu setzen. Bisher wurde die Magnetfusion bevorzugt, da die für die Trägheitsfusion erforderliche Technologie, insbesondere die Laser, nicht ausgereift genug waren. Die Trägheitsfusion erfordert nämlich wesentlich höhere Energiegewinne, um die von den Lasern verbrauchte Energie wieder auszugleichen. Jetzt aber hat man aber mit neuer Technik im Bereich des Trägheitseinschlusses einen bahnbrechenden Erfolg erzielt und zwar an der National Ignition Facility, kurz NIF, am Lawrence Livermore National Laboratory in den USA. 

Der Brennstoff für die Kernfusion befindet sich in winzigen Metallkapseln

Das NIF nutzt 192 Laserstrahlen, die über einen Zeitraum von einigen Nanosekunden insgesamt 1,9 Megajoule Energie erzeugen, um die Fusionsreaktion auszulösen. Der Brennstoff befindet sich in einer Metallkapsel von einigen Millimetern Durchmesser, die, wenn sie von den Lasern erhitzt wird, Röntgenstrahlen aussendet, die den Brennstoff erhitzen und komprimieren. Es handelt sich hier also wirklich um hochkomplizierte Prozesse, die sich auf einem winzigen Raum abspielen. Mit diesem Verfahren wurde am 8. August 2021 eine bahnbrechende Energieerzeugung von 1,3 Megajoule erreicht, der höchste Wert, der jemals mit dem Trägheitsverfahren gemessen wurde, also der Wert an erzeugter Energie, der der erforderlichen Zündungsenergie am nächsten kam. 

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Stehen wir jetzt also kurz vor dem Kernfusionszeitalter? Unbegrenzte Energie und ungeahnter technischer Fortschritt? Leider noch nicht ganz. Denn obwohl das Ergebnis am NIF ein wahrer Durchbruch war, wurde auch hier nur 70 Prozent der investierten Energie am Ende aus dem Fusionsprozess herausbekommen. Es ist also noch ein weiter Weg bis wir wirklich Fusionsenergie im großen Stil erzeugen können. Dennoch gibt es gute Gründe für Optimismus. Fortschritte in der Computertechnik, künstlicher Intelligenz, supraleitende Magnete, 3-D-Druck, Materialwissenschaft und mehr dürften dazu beitragen, die Herausforderungen auf dem Weg zu einem funktionsfähigen Fusionsreaktor zu meistern. Der Durchbruch beim NIF ist zum Beispiel zum großen Teil auf bessere Computermodelle zurückzuführen.

Prototyp des Reaktors der Firma General Fusion

Hinzu kommt, dass viele Unternehmen aus der freien Wirtschaft sich immer mehr im Bereich Kernfusion engagieren. Alleine im letzten Jahr wurden rund 300 Millionen Dollar von privaten Unternehmen in die Kernfusionsforschung investiert und einige Projekte sind bereits in vollem Gange. General Fusion zum Beispiel, das unter anderem von Jeff Bezos finanziert wird, plant für nächstes Jahr den ersten Spatenstich für eine Kernfusionsanlage. Commonwealth Fusion Systems, das von Bill Gates unterstützt wird, rechnet sogar damit, bis zum Jahre 2025 einen Nettoenergiegewinn durch Kernfusion zu erzielen.  

Noch mehr Informationen zum Stand der Dinge im Bereich der Kernfusion erhaltet Ihr in diesem Video:

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China baut den Thorium-Flüssigsalzreaktor

Eine absolute Energierevolution könnte jetzt in China ihren Anfang nehmen. Die Chinesen testen ihren ersten Thorium-Flüssigsalz-Reaktor.

Kernenergie ist eine äußerst effiziente Energieerzeugungsmethode, die mangels CO2-Ausstoß auch sehr umweltfreundlich ist. Das Problem, das viele Leute sehen, ist die Gefahr eines radioaktiven Unglücks und der lange strahlende Atommüll. Eine Lösung für dieses Problem könnten Thorium-Reaktoren sein. Denn diese liefern – bislang noch in der Theorie – sichere und günstige Kernenergie in großen Mengen und benötigen weder Kühlungswasser für die Brennstäbe noch Uran. Als Brennstoff wird, der Name verrät es, Thorium verwendet. Thorium ist ein schwach radioaktives Metall, das in der Natur in Gesteinen vorkommt und ein Abfallprodukt des Abbaus von Seltenen Erden ist.  Momentan wird es kaum industriell genutzt und da die Seltene-Erde-Industrie in China stark wächst ist Thorium für die Chinesen eine attraktive Alternative zum Uran, das größtenteils importiert werden muss. Lyndon Edwards, Nuklearingenieur von der Australian Nuclear Science and Technology Organisation sagt dazu: 

“Thorium ist viel reichlicher vorhanden als Uran, deshalb wäre die entsprechende Nutzung eine sehr nützliche Technologie für die nächsten 50 oder 100 Jahre, wenn die Uranreserven zur Neige gehen.”

– Lyndon Edwards

Im Inneren eines Thorium-Reaktors zirkulieren statt Wasser geschmolzene Salze. Dadurch erhofft man sich, Kernenergie zu erzeugen, die wesentlich sicherer und relativ billig ist, und außerdem auch eine sehr viel geringere Menge an langlebigen radioaktiven Abfällen produziert als klassische Kernkraftwerke. All das ist momentan allerdings nur Wunschdenken, denn es gibt noch keinen voll funktionsfähigen Thorium-Reaktor. Das könnte sich nun aber ändern, denn die Chinesen starten diesen Monat den Testlauf für ihren ersten Thorium-Reaktor. Der Reaktor steht in Wuwei nahe der Wüste Gobi. Wenn der Test klappt, wird sich die erzeugte Menge an Energie aber in Grenzen halten, da es sich nur um einen Testreaktor handelt. Man erwartet sich die Erzeugung von zwei Megawatt thermischer Energie – damit könnten ungefähr tausend Haushalte versorgt werden. 

Eine offizielle Darstellung des Wuwei Reaktors

Doch wenn der Test klappt, kann man daran arbeiten, die Thorium-Energieerzeugung zu skalieren. Das dauert aber. China plant im Falle eines erfolgreichen Tests, bis 2030 einen Reaktor mit einer Leistung von 373 Megawatt zu bauen, der dann Hunderttausende von Haushalten mit Strom versorgen könnte. Bis also das ganze Land China, 1,4 Milliarden Menschen mit Thorium-Strom versorgt werden können, dürfte also selbst im Falle eines erfolgreichen Tests noch etwas Zeit ins Land gehen.

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Die Idee, einen Reaktor mit Flüssigsalz statt Wasser als Kühlmittel zu nehmen, ist nicht neu. In den USA betrieb man bis 1969 einen Flüssigsalzreaktor am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, der dann aber wegen nicht zufriedenstellender Ergebnisse abgestellt wurde. Der chinesische Flüssigsalzreaktor in Wuwei ist im Prinzip ein Nachbau des Oak-Ridge-Reaktors, aber mit allerlei Verbesserungen. Der größte Unterschied ist, dass im Oak-Ridge-Flüssigsalzreaktor kein Thorium verwendet wurde. Aber warum überhaupt Flüssigsalz? Charles Forsberg vom Massachusetts Institute of Technology beschreibt es so: 

“Im Vergleich zu Leichtwasserreaktoren in konventionellen Kernkraftwerken arbeiten Flüssigsalzreaktoren bei wesentlich höheren Temperaturen, so dass sie wesentlich effizienter Strom erzeugen könnten.”

– Charles Forsberg

Der Reaktor in Wuwei wird Salze auf Fluoridbasis verwenden, die bei einer Temperatur von etwa 450 Grad zu einer transparenten Flüssigkeit schmelzen. Das Salz dient wie bereits erwähnt als Kühlmittel und nimmt die Wärme aus dem Reaktorkern. Der größte Vorteil ist aber: In Flüssigsalzreaktoren fungiert an Stelle von festen Brennstäben wie in herkömmlichen Kernkraftwerken das flüssige Salz als Substrat für den Brennstoff, also in diesem Fall für das Thorium, das dann direkt im Kern gelöst wird. Das ist essentiell, denn dadurch dass der Brennstoff bereits im Flüssigsalz gelöst ist, ist die Wahrscheinlichkeit für explosive Kernschmelzen massiv verringert. 

Geschmolzenes Salz dient als Kühlmittel

Von der Verwendung von Thorium als Brennstoff sind aber nicht alle Wissenschaftler überzeugt. Das Problem, das bei Thorium gesehen wird, ist, dass es im Gegensatz zu natürlich vorkommenden Uranisotopen erst mal in einen spaltbaren Stoff umgewandelt werden muss. Das bedeutet, es gibt hier einen Zwischenschritt mehr als bei dem Uran, das man in herkömmlichen Kernkraftwerken verwendet. Dieser Zwischenschritt sieht so aus: Das Isotop Thorium-232 kann nicht gespalten werden – wenn es aber in einem Reaktor bestrahlt wird, bildet es das Isotop Uran-233, das dann wiederum ein spaltbares Material ist, das Wärme erzeugt. Ob also Thorium sich wirklich eignet, um Energie in großen Mengen zu erzeugen, ist noch ungewiss. Im Falle des Wuwei-Reaktors kommt hinzu, dass die Chinesen nicht besonders auskunftsfreudig sind, wenn es um ihre Technologien geht. Westlichen Forschern wird kein Zutritt zum Reaktor gewährt und die meisten Informationen stammen aus dritter Hand oder aus offiziellen Meldungen der chinesischen Regierung. Simon Middleburgh vom Nuclear Future Institute der University Bangor in Wales sagt:

“Wir werden so viele neue wissenschaftliche Erkenntnisse gewinnen. Aber wenn auf dem Weg dorthin etwas schief geht, kann man nicht weitermachen, sondern muss aufhören und neu anfangen. Wenn man mich ließe, würde ich mit dem ersten Flugzeug dorthin fliegen.”

– Simon Middleburgh

Noch mehr Informationen zum Thorium-Flüssigsalz-Reaktor erhaltet Ihr in diesem Video:

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