Kernfusion bedeutet die Vereinigung zweier leichter Kerne zu einem schwereren Kern. Fusion oder thermonukleare Reaktionen leichter Elemente sind typische Reaktionen, die in der Sonne und anderen Sternen stattfinden. In der Sonne werden tatsächlich jede Sekunde 657 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 653 Millionen Tonnen Helium fusioniert. Die 4 Millionen Tonnen Massenunterschied werden dann in Strahlung umgewandelt – und so leuchtet die Sonne. Die extremen Temperatur- und Hochdruckbedingungen erzeugen einen Zustand stark ionisierter Materie, der als Plasma bezeichnet wird und durch Gravitationskräfte zusammengehalten wird.

Eine Fusionsreaktion, bei der eine relativ hohe Energiemenge (27,7 MeV) freigesetzt wird, ist jene, bei der vier reagierende Protonen zur Bildung eines Heliumkerns (einem Alphateilchen) führen. Da in diesem Prozess Wasserstoffisotope fusioniert werden und Wasserstoff praktisch überall um uns herum vorhanden ist, ist die Idee, Energie aus der Fusion von Wasserstoff zu gewinnen, äußerst attraktiv: Sie bietet eine scheinbar unbegrenzte Energiequelle für zukünftige Generationen!

Fusionsreaktionen sind jedoch auf der Erde nicht leicht zu erreichen. Man muss bedenken, dass die erforderlichen Temperaturen extrem hoch sind, im Allgemeinen in der Größenordnung von Hunderten von Millionen Kelvin. Und wenn das heiße Plasma erst einmal erzeugt ist, ist das Problem seiner Aufrechterhaltung keineswegs trivial.

Hier ist eine Liste von Fusionsreaktionen leichter Kerne, die für praktische Anwendungen in Betracht kommen könnten:

Um eine Fusionsreaktion einzuleiten, muss die Coulomb-Abstoßung zwischen den Kernen überwunden werden. Daher müssen sie hohe (von einigen keV bis zu mehreren hundert keV) kinetische Anfangsenergien haben (später werden wir über eine andere Möglichkeit sprechen, Fusion bei niedrigen Temperaturen einzuleiten, mittels der sogenannten Meson-katalysierten Fusion). Es ist einfach, leichte Teilchen auf solche Energien zu beschleunigen. Die zur Betreibung der Beschleuniger benötigte Energie übersteigt jedoch bei weitem die durch Fusion gewonnene Energie. Es ist praktischer, einen anderen Ansatz zu verwenden: Die kinetische Energie der Reaktanden kann das Ergebnis der hohen Temperatur eines Teilchengases sein. Bei Temperaturen von Zehn- oder Hunderten von Millionen Kelvin werden die Elektronen von den Atomen getrennt, sodass die Reaktanden als heißes Plasma existieren. Deshalb spricht man von “thermonuklearen” Reaktionen.

Das Haupttechnische Problem besteht darin, die extrem hohen Temperatur- und Druckbedingungen im ionisierten Gas – dem Plasma – und dessen Einschluss für lange genug Zeit zu erzeugen, um die Fusion und damit die Energiefreisetzung auszulösen. Sobald dies erreicht ist und genug Fusionsreaktionen stattfinden, könnten die Bedingungen selbsterhaltend sein, d.h. eine Zufuhr von frischem Brennstoff sollte eine kontinuierliche Energieproduktion ermöglichen.

Die notwendige Bedingung für die Energiefreisetzung aus einem thermonuklearen Reaktor ist durch das sogenannte Lawson-Kriterium gegeben, das besagt, dass das Produkt aus der Dichte der Kerne im Plasma und der Zeit des Plasmaeinschlusses bei der entsprechenden Zündungstemperatur einen bestimmten Schwellenwert überschreiten muss. Für die D-T-Fusionsreaktion zum Beispiel:

n_eτ_E ≥ 1.5 × 10²⁰ s/m³

Die Notwendigkeit hoher Temperaturen bedeutet, dass das Plasma nicht in Kontakt mit dem Wandmaterial sein darf. Daher muss man spezielle Techniken für den Plasmaeinschluss entwickeln.

Es gibt drei Methoden des Plasmaeinschlusses: gravitativ, magnetisch und inertial. In Sternen wird der Einschluss durch das Gravitationsfeld erzeugt, das einen ausreichend hohen Druck erzeugt. Solch ein Einschluss ist auf der Erde jedoch nicht anwendbar. Stattdessen können starke Magnetfelder verwendet werden, um Plasma beim magnetischen Einschluss einzufangen, oder beim sogenannten Trägheitseinschluss werden Wasserstoffpellets mittels eines starken Lasers oder Teilchenstrahlen komprimiert.

Im Fall des magnetischen Einschlusses, wo die Teilchendichte größer als etwa 10²⁰/m³ ist, muss die Einschlusszeit gemäß dem Lawson-Kriterium länger als 1s sein. Im Fall des Trägheitseinschlusses beträgt beispielsweise die typische Plasmadichte ≈ 10³¹/m³, und die Einschlusszeit muss in der Größenordnung von 10^-11s liegen.

Die wahrscheinlichste Reaktion für praktische Anwendungen ist die Fusion von Deuterium und Tritium, D + T → ⁴He + n + 17,58 MeV, obwohl auch Deuterium-Deuterium-Reaktionen in Betracht gezogen werden. Deuterium ist leicht in Wasser zu finden (30 Gramm pro Kubikmeter). Tritium muss jedoch entweder in einem Kernreaktor erzeugt oder in einem Fusionsreaktor aus Lithium, einem Element, das in der Erdkruste in großen Mengen vorkommt, erbrütet werden.

Dies kann durch Verwendung einer relativ dicken (etwa 1 m) Lithiumdecke, die auch Beryllium enthält und den Reaktorkern umgibt, erreicht werden. Lithium absorbiert Neutronen, die in der Decke abgebremst werden, und wandelt sich in Tritium und Helium um. Die freigesetzte Energie heizt die Decke auf und startet damit die konventionelle Energieerzeugung. Die Rolle des Berylliums besteht darin, eine ausreichende Anzahl von Neutronen im System aufrechtzuerhalten.

Die Bewegung geladener Teilchen im Plasma kann durch ein äußeres Magnetfeld gesteuert werden. In geschlossenen magnetischen Einschlusssystemen, den sogenannten Tokamak-Reaktoren, wird das Plasma (z.B. D-T) bei Dichten von bis zu 10²¹ Teilchen pro Kubikmeter erhitzt und eingeschlossen. Das Magnetfeld ist so konzipiert, dass es die Teilchen von den Wänden des Gehäuses fernhält. Andernfalls würde das Plasma sofort ‘abkühlen’ und die Fusionsreaktionen würden aufhören.

Zusätzlich zur sehr hohen Temperatur ist auch der Magnetdruck für den Plasmaeinschluss beeindruckend. Bei atmosphärischer Teilchendichte (etwa 10²⁷ Teilchen pro Kubikmeter) und einer thermischen Energie von 10 keV muss der Magnetdruck 10⁸ hPa überschreiten. Die Feldspulen und ihre mechanischen Stützen können solchen Drücken nicht standhalten! Um den Druck zu senken, muss man die Teilchendichte verringern. Um das Lawson-Kriterium zu erfüllen, muss man dann das heiße Plasma für eine längere Zeit aufrechterhalten.

Die effektivste Magnetfeldkonfiguration hat sich als die toroidale herausgestellt. Die Reaktorkammer hat die Form eines Donuts und bildet eine geschlossene „Magnetflasche". Um die Plasmastabilität zu gewährleisten, folgen die Magnetfeldlinien tatsächlich einem spiralförmigen Pfad. Ein solcher Einschluss wird von Geräten bereitgestellt, die als Tokamaks, Stellaratoren und Reverse-Feld-Pinch (RFP) bekannt sind.

In einem Tokamak sind mehrere Spulen um die torusförmige Kammer angeordnet. Der Transformatorkern verläuft durch die Mitte des Tokamaks, während der Plasmastrom einen Sekundärkreis bildet. Das senkrechte, sogenannte poloidale, Feld wird sowohl intern durch den im Plasma getriebenen Strom als auch extern durch poloidale Feldspulen, die um den Umfang des Gefäßes angeordnet sind, induziert.

Dieser Strom erhitzt das Plasma auch auf die erforderliche hohe Temperatur von etwa 10 Millionen K. Die Tokamak-Idee geht auf die russischen Physiker Andrei Sacharow und Igor Tamm zurück. Die Hauptnachteile der Tokamaks sind der relativ enge Betriebsparameterbereic. Der bisher größte gebaute Tokamak war der Joint European Torus (JET).

In einem Stellarator werden die Plasmabedingungen durch außerhalb des Plasmas zirkulierende Ströme reguliert. Die spiralförmigen Feldlinien in Stellaratoren werden durch eine Reihe von Spulen erzeugt, die selbst spiralförmig sind.

Der größte Stellarator, das Large Helical Device (LHD), nahm 1998 am Nationalen Institut für Fusionsforschung Japans seinen Betrieb auf. Da in Stellaratoren kein Strom im Plasma induziert wird, muss die Aufheizung durch andere Mittel erreicht werden, beispielsweise durch Zufuhr elektromagnetischer Strahlung ins Plasma. Eine solche Technik wird in Greifswald in Deutschland geplant. Diese Geräte ähneln Tokamaks in Bezug auf die toroidalen und poloidalen Felder. Die Ströme sind jedoch viel stärker, und auch die Richtung des toroidalen Feldes im Plasma ist am Rand des Plasmas umgekehrt. Solch ein System wird unter anderem in Padua, Italien, eingesetzt.

Die Technik des Trägheitseinschlusses der Fusion (ICF) basiert auf einem vorbereiteten D-T-Brennstoffpellet, das dann schnell erhitzt wird, um die Temperatur und den Druck zu erreichen, die für einen Plasmazustand erforderlich sind.

Dies wird erreicht, indem das Pellet durch Beschuss mit starken, gut fokussierten Laserlichimpulsen komprimiert wird. Unter solchen Bedingungen verdampft die Oberfläche des Pellets und bildet die Plasmakrone. Das Plasma dehnt sich aus und erzeugt eine nach innen gerichtete Kompressionsfront, die das Pellet zum Implodieren bringt und eine augenblickliche Fusionsreaktion verursacht.

Das fortschrittlichste Fusionssystem auf Basis des Trägheitseinschlusses ist NOVA am Lawrence Livermore Laboratory, USA. Forscher bei NOVA haben gezeigt, dass bei Kompression Dichten von 600-facher der flüssigen D-T-Mischung und 20-fach größer als die Dichte von Blei erreicht werden können.

Die Europäische Gemeinschaft startete 1978 das Joint European Torus-JET-Programm. Das Hauptziel von JET war es, Tests zur Fusion, Plasmaphysik und Stabilitätsbedingungen durchzuführen. Culham in Großbritannien wurde als Standort von JET ausgewählt.

Das Gerät, tatsächlich der bisher größte produzierte Tokamak, war 1983 betriebsbereit, und im November 1991 wurde die erste kontrollierte Fusionsleistung erzeugt. Die Rekordleistung von 16 MW wurde 1997 für eine Sekunde mit gemischtem Deuterium-Tritium-Brennstoff erreicht. Das JET-Experiment zeigte, dass kontrollierte Fusion möglich ist.

Sein Nachfolger ist ITER, ein internationales Forschungs- und Ingenieurbprojekt, das derzeit den weltweit größten experimentellen Tokamak-Kernfusionsreaktor in Cadarache, Frankreich, baut. Das ITER-Projekt zielt darauf ab, den lang ersehnten Übergang von experimentellen Studien der Plasmaphysik zu Fusionskraftwerken in vollem Maßstab zu vollziehen.

Die National Ignition Facility (NIF), in Kalifornien, USA, ist die weltweit größte und energiereichste Laseranlage, und eines ihrer Ziele ist es, Kernfusion und Energiegewinn im Labor zum ersten Mal zu erreichen – im Wesentlichen einen Miniaturstern auf der Erde zu erschaffen.

NIF verwendet leistungsstarke Laser, um eine kleine Menge Wasserstoffbrennstoff auf den Punkt zu erhitzen und zu komprimieren, an dem Kernfusionsreaktionen stattfinden. NIF ist das bisher größte und energiereichste ICF-Gerät und das erste, von dem erwartet wird, das lang angestrebte Ziel der „Zündung" zu erreichen – mehr Energie zu produzieren, als für den Start der Reaktion benötigt wurde. Seine Mission ist es, Kernfusion mit hohem Energiegewinn im Labor zu erreichen und die Wartung und Entwicklung von Atomwaffen durch Untersuchung des Verhaltens von Materie unter den in Atomwaffen gefundenen Bedingungen zu unterstützen.

Die extremen Temperaturen und Drücke, die innerhalb der NIF-Zielkammer erzeugt werden, ermöglichen es Wissenschaftlern, beispiellose Experimente in der Hochenergiedichtewissenschaft durchzuführen und neue Einblicke in astrophysikalische Phänomene wie Supernovae, Riesenplaneten und Schwarze Löcher zu gewinnen.

Fusion ist gewissermaßen die entgegengesetzte Reaktion zur Kernspaltung. Bei letzterer werden aus einem schweren Kern Kerne mit kleineren Massen erzeugt, und die Summe der produzierten Massen ist kleiner als die Masse des schweren Kerns. Im Fall der Fusion ist die Masse des schwereren Kerns kleiner als die Summe der anfänglichen Massen der leichteren Kerne.

Es ist leicht zu sehen, dass die relativen Energien der kollidierenden Kerne (bedenken Sie, sie sind positiv geladen!) hoch genug sein müssen, um ihre elektrische Abstoßung zu überwinden, damit eine solche Reaktion eingeleitet werden kann. Daher muss, um Heliumatome aus der Fusion von Deuterium und Tritium zu bilden, der Brennstoff bei extrem hoher Temperatur und hohem Druck gehalten werden.

Bei der gerade beschriebenen Reaktion wird ein Neutron produziert. Dieses Neutron hat eine sehr hohe kinetische Energie, die beim Verlangsamungsprozess abgegeben wird. Diese Energie kann in Wärme für die Dampferzeugung umgewandelt werden, die dann die Turbine antreiben und einen Stromgenerator betreiben kann. Die bei solchen Fusionsreaktionen produzierten Neutronen können auch zur Erzeugung von Kernbrennstoff aus abgereichertem Uran, d.h. Uran mit weniger ²³⁵U als natürliches Uran (0,72%), verwendet werden.

Etwa jedes 6000. Wasserstoffatom um uns herum (einschließlich des im Wasser gespeicherten Wasserstoffs) ist ein Deuteriumatom. Dieser Überfluss ist ein starker Anreiz, eine Art Fusionsreaktionsanlage zu entwickeln – da dies der Menschheit effektiv eine Energieversorgung für vielleicht Milliarden von Jahren geben würde!

Zum Vergleich: Um 1 GW-Jahr elektrische Energie zu erzeugen, benötigt man für Spaltung etwa 35 Tonnen UO₂ und für Fusion etwa 100 kg Deuterium plus 150 kg Tritium. Ein weiterer Aspekt, der Fusion attraktiv macht, ist das fast vollständige Fehlen radioaktiver Nebenprodukte. Insbesondere wird aus dem Betrieb einer Fusionskraftanlage kein Material resultieren, das für die Herstellung von Atomwaffen verwendet werden könnte. Auch ist im Gegensatz zu Kernreaktoren mit Spaltung eine Explosion der Anlage praktisch unmöglich: Würde eine Explosion stattfinden, würde sich das Plasma ausdehnen und abkühlen, was implizit den Fusionsprozess stoppen würde.

Das bedeutet nicht, dass es keine Gefahren im Zusammenhang mit Fusionsreaktoren gibt. Insbesondere muss man die massive Produktion von Neutronen und des radioaktiven Tritiums bedenken. Das Vorhandensein geschmolzener Lithiumsalze und des krebserregenden Berylliums würde ebenfalls ein Problem darstellen.

Wie bei Spaltungsreaktoren wird in Fusionsreaktoren eine beträchtliche Menge ionisierender Strahlung (insbesondere Neutronen) erzeugt. Daher erwartet man, dass eines der Hauptprobleme die Abschirmung gegen induzierte Radioaktivität in der gesamten Anlage sein wird. Die Gefahr im Zusammenhang mit einem möglichen Unfall des magnetischen Systems, das extrem hohe Energiemengen speichert, muss ernsthaft in Betracht gezogen werden. 1992 wurde ein Team namens Europäische Sicherheits- und Umweltbewertung der Fusionskraft (SEAFP) gegründet. Der Zweck des Teams ist es, an der Gestaltung von Fusionskraftwerken, ihren Sicherheitsbedingungen und der Bewertung ihrer Auswirkungen auf die Umwelt zu arbeiten. Gemäß den Bewertungen von SEAFP bestehen die Hauptvorteile der Fusion gegenüber nuklearen Spaltungskraftwerken darin, dass im schlimmsten Fall die Freisetzung von Strahlung nie auf einem Niveau liegen wird, das Menschen zur Evakuierung zwingt. Außerdem zerfallendie in Fusionskraftwerken erzeugten radioaktiven Abfallmaterialien relativ schnell und müssen nicht von der Umwelt isoliert werden. Ein besonderes Problem ist mit der möglichen Freisetzung von radioaktivem Tritium in die Umwelt verbunden. Dieses radioaktive Gas ist hochdurchdringend, löst sich leicht in Wasser auf und kann noch lange nach seiner Entstehung gefährlich sein (die Halbwertszeit von Tritium beträgt etwa 12 Jahre).

Bisher haben sich alle Versprechen und Hoffnungen auf Energieerzeugung als verfrüht erwiesen – erst vor nicht allzu langer Zeit hat die erzeugte Energie die dem System zugeführte Energie egalisiert (erstmals im amerikanischen TFTR und japanischen JT60, und im Joint European Torus – JET). Die Hauptherausforderungen sind: Aufrechterhaltung einer stabilen Plasmakonfiguration, Auffinden von Materialien, die den intensiven Neutronenflüssen standhalten können, Gewinnung von Energie für nützliche Zwecke und Erzeugung von deutlich mehr Energie als eingegeben wird.

Derzeit führt ITER, datierend auf 1985, die Bemühungen zur Kommerzialisierung der Fusionsenergie an. Das Projekt gewann neuen Schwung, nachdem die ITER-Organisation 2007 mit China, EU, Indien, Japan, Südkorea, Russland und den USA als Mitgliedern gegründet wurde. Die Maschine wird gerade in Cadarache, Frankreich gebaut, mit dem Ziel, 500 MW Leistung und einen Fusionsgewinnfaktor Q=5-10 innerhalb des Projektzeitrahmens von 30 Jahren zu erreichen.

Legen der Grundlagen unter dem zukünftigen Tokamak-Gebäude – Cadarache, Februar 2014.

Leider wurde die thermonukleare Energie (wie auch andere Energieformen) bereits für militärische Zwecke in der sogenannten Wasserstoffbombe eingesetzt.