Kernfusion — Energiequelle der Zukunft?

Ein Atomwissenschaftler erläutert ganz offen die Hindernisse, die noch genommen werden müssen, wenn die Kernfusion einmal unseren Energiebedarf decken soll

ZWEIFELLOS ist es eine große Herausforderung, den Vorgang der Kernfusion (Kernverschmelzung) zu steuern. Wenn wir nur eine der verschiedenen Kernfusionsreaktionen in Gang setzen könnten, z. B. die Reaktion zwischen zwei Deuteriumkernen (Nr. 4 in der Tabelle auf Seite 20), könnten wir einen endlosen „Brennstoffvorrat“ anzapfen. Von allen Wassermolekülen der ganzen Welt, einschließlich derjenigen in den Weltmeeren, enthält jedes 3 000ste ein Deuteriumatom. Gar nicht auszudenken! Aus einem Liter Wasser könnte man 800 Kilowattstunden Energie gewinnen — der monatliche Strombedarf eines Haushalts. Dann hätten wir nicht mehr den immer größer werdenden Berg von radioaktiven Spaltprodukten aus den heutigen Kernkraftwerken. Wäre das nicht eine aussichtsreiche Lösung des Energieproblems?

Die als Zyklotrone bezeichneten Anlagen eignen sich zum Erforschen von Fusionsreaktionen, können aber keine nutzbare Energie liefern. Es ist eine Unmenge von Energie nötig, um Millionen Teilchen so stark zu beschleunigen, daß sie reagieren können, doch nur wenige treffen andere Teilchen und setzen Energie frei; alle übrigen geben ihre Energie in kleinen „Portionen“ ab und bleiben ohne Wirkung. Für dieses Experiment muß also mehr Energie aufgebracht werden, als gewonnen wird.

Die Sonne ist unübertroffen, weil in ihrem Innern eine solch hohe Temperatur herrscht, daß die Teilchen von einem Zusammenstoß zum anderen ihre hohe Geschwindigkeit beibehalten, bis sie schließlich reagieren. Du kannst also sehen, warum es so schwierig ist, auf der Erde einen brauchbaren Fusionsprozeß zu entfachen. Wir müssen irgendwie das Innere der Sonne nachgestalten. Doch wie kann man Wasserstoff auf Millionen Grad erhitzen und dennoch so lange zusammenhalten, bis er reagiert? Diesen Anforderungen wird kein heute bekanntes Material gerecht. Selbst die hitzebeständigsten Substanzen schmelzen und verdampfen bereits bei einigen tausend Grad.

Wissenschaftler haben zwar die Energiemöglichkeiten der Kernfusion unter Beweis gestellt, aber nur durch die Explosion der gefürchteten Wasserstoffbombe. In der Bombe und in ihrer Umgebung verdampft alles und wird im Bruchteil einer Sekunde vernichtet. Wie könnte man solch ein „Monster“ zähmen und seine Energie nutzen?

Kernfusion im magnetischen Einschluß

So unmöglich es auch scheint, es gibt eine Methode, durch die das Problem gelöst werden könnte: magnetische Wärmeisolierung. Dabei wird der Wasserstoff durch elektrische Entladung so stark aufgeheizt, daß er sich vollständig in Teilchen verwandelt, die man als Ionen bezeichnet. Er besteht dann aus positiven Atomkernen und negativen Elektronen. Materie, die sich in diesem Zustand befindet, nennt man Plasma. Wenn Plasma von einem starken Magnetfeld umgeben ist, können sich die geladenen Teilchen oder Ionen nicht geradlinig fortbewegen, sondern werden in enge spiralförmige Bahnen gezwungen. Bei entsprechender Gestalt des Magnetfelds werden diese Spiralbahnen von den beiden Enden des Behälters zurückgeworfen, der dadurch zu einer „magnetischen Flasche“ wird.

Es gibt eine anders konstruierte Anlage, in der die Teilchenbahnen in einem ringförmigen „Schlauch“, Torus genannt, einen Kreis bilden. In diesem Behälter kommen die Protonen und Elektronen nicht mit der Wandung in Berührung und können auf Millionen Grad geheizt werden, ohne daß sich der Behälter erhitzt. Die erfolgreichste Konstruktion dieser Art wurde von ihren russischen Erfindern als Tokamak bezeichnet.

Ganz gleich, in welcher Form das Plasma in einem Magnetfeld eingeschlossen ist, es müssen drei Bedingungen erfüllt werden, wenn die Kernfusion einsetzen und anhalten soll. Diese Bedingungen betreffen die Temperatur, die Dichte und die Einschlußzeit.

Erstens muß das Plasma die Zündtemperatur erreichen. Die Reaktion zwischen Deuterium- und Tritiumkernen setzt bereits bei etwa 46 000 000 °C ein. Das Plasma kann erhitzt werden, indem man es mit elektrischem Strom beschickt oder mit einem Strahl sehr energiereicher Atome beschießt. Doch bei den Fusionsreaktionen geht ständig Energie verloren durch Teilchen, die voneinander abprallen. Dadurch entstehen Röntgenstrahlen, die das Magnetfeld durchstoßen und dem Plasma Wärme entziehen. Deshalb muß das Plasma so heiß sein, daß die durch die Kernverschmelzung erzeugte Energie diese Verluste ausgleicht, sonst kann sich der Prozeß nicht selbst aufrechterhalten.

Zweitens muß das Plasma so stark verdichtet werden, daß es 100 Billionen (10¹⁴) Teilchen pro Kubikzentimeter enthält. Schließlich müssen diese Bedingungen noch über einen Zeitraum aufrechterhalten werden, der genügend lang ist, um eine Mindestzahl von Zusammenstößen zu ermöglichen. Der Einschlußparameter — das Produkt aus Dichte und Einschlußzeit — muß mindestens 60 Billionen (60 × 10¹²) pro Sekunde betragen. Also muß die maximale Dichte für den Fall, daß sie eine zehntel Sekunde lang aufrechterhalten werden kann, mindestens 600 × 10¹² betragen, um eine Kernverschmelzung zwischen Deuterium und Tritium zu erzielen, die sich selbst aufrechterhält.

Das Plasma kann durch ein rasches Verstärken des Magnetfelds verdichtet werden. Dadurch erhöht sich jedoch nicht nur die Dichte, sondern auch die Temperatur des Plasmas. Wenn das Magnetfeld die richtige Gestalt hat und das Plasma genügend lange zusammenhalten kann, tritt die Fusion ein. Leider hat es sich als sehr schwierig erwiesen, das zu erreichen. Das Plasma ist äußerst unbeständig. Es sucht nach einer schwachen Stelle im Magnetfeld und quetscht sich dann hinein, um es auszubeulen und zu durchbrechen. Das Ganze ähnelt einem Schlauch, der sich nicht im schützenden Reifen befindet und zu stark aufgepumpt wird.

Die verzweifelten Anstrengungen, diese Schwierigkeiten zu überwinden, haben viele Jahre Arbeit und eine Unmenge Geld gekostet. Erst in den letzten beiden Jahren ist durch einige Experimente die Hoffnung genährt worden, daß man eines Tages das „schlüpfrige“ Plasma doch zähmen könne. Am Massachusetts Institute of Technology wurde in einem Tokamak namens „Alcator“ ein Einschlußparameter von 30 Billionen erreicht. Allerdings war die Temperatur viel zu gering; sie betrug nur etwa 10 Millionen Grad. Bei einem Versuch am großen Torus in Princeton (USA) wurde eine Temperatur von 75 Millionen Grad erreicht. Am Anfang war das genug, um die Deuterium-Tritium-Reaktion zu zünden. Doch der Einschlußparameter war nicht größer als eine Billion. Die „Fusionsflamme“ begann zu „flackern“ und ging wieder aus, bevor sie überhaupt richtig „brannte“.

Diese Vorstöße lassen hoffen, daß die nächste Generation von Tokamaks, die größer und teurer sein werden, Erfolg bringen wird. In den nächsten zwei bis drei Jahren soll einer in Princeton und einer in Culham (England) gebaut werden. Jeder wird etwa 300 Millionen Dollar kosten. Wenn diese Anlagen eine kontrollierte Fusion zustande bringen, werden sich die Kernphysiker anderen Hindernissen zuwenden können, die den Weg zum wirtschaftlich brauchbaren Fusionsreaktor blockieren.

Eines der anderen Probleme besteht in der Anhäufung von Verunreinigungen im Plasma. Je höher die Atomzahl der eingeschlossenen Elemente ist, um so größer werden die zuvor erwähnten Verluste durch Röntgenstrahlung. Selbst das gasförmige Element Helium verursacht einen achtmal größeren Verlust als Wasserstoff. Bei Sauerstoff ist er 500mal so groß. Das Plasma muß also außerordentlich rein erhalten werden, sofern es eine brauchbare Fusion liefern soll.

Wenn alle diese Probleme gelöst sein werden, wie wird dann ein Fusionskraftwerk aussehen? Eine Vorstellung davon vermitteln uns die Pläne der Universität von Wisconsin, die auf den optimistischsten Daten beruhen. Der Torus (ein ringförmiger Wulst) hätte eine Höhe von 27 m und einen Durchmesser von 44 m. Er würde aus 12 Segmenten bestehen, die je 3 500 Tonnen wiegen würden. Er wäre in einem Gebäude untergebracht, das eine Höhe von 102 m und einen Durchmesser von 120 m hätte. Die Segmente müßten so gebaut sein, daß sie ein extremes Vakuum halten könnten. Die gigantischen Magnete, von denen sie umschlossen würden, müßten mit flüssigem Helium gekühlt werden, damit die Temperatur nicht mehr als 4° über dem absoluten Nullpunkt (−273 °C) betragen würde.

Wenn dann die geladenen Deuterium- und Tritiumteilchen mit Fusionstemperatur im Torus kreisten, könnte das Kraftwerk 1 400 Megawatt Strom erzeugen. Allerdings müßte man es alle 90 Minuten stillegen, um die Verunreinigungen herauszupumpen und neuen Brennstoff einzuführen. Während des sechsminütigen Stillstands müßte der Strom dann anderweitig erzeugt werden, und das 15mal am Tag. Kein Wunder, daß Versorgungsbetriebe nicht davon begeistert sind, einen solch „launenhaften Riesen“ zu übernehmen!

Der Inertialeinschluß

Eine andere Methode, mit der man die Fusion unter Kontrolle bringen kann, ist unter Geheimhaltung entwickelt und vor kurzem veröffentlicht worden. Man bezeichnet sie als Inertialeinschluß. In Anlagen, die nach diesem Prinzip arbeiten, werden kreisförmig angeordnete Laser so ausgerichtet, daß sich ihre Strahlen in einem gemeinsamen Punkt schneiden. Man läßt eine mikroskopisch kleine Glaskugel, die eine Mischung aus Deuterium und Tritium enthält, durch den Schnittpunkt fallen. Sobald sie den Punkt genau erreicht hat, werden die Laserstrahlen „abgefeuert“. Sie treffen alle gleichzeitig auf die Kugel und führen ihr im Bruchteil einer milliardstel Sekunde eine Energie von mehreren Millionen Kilowatt zu. Da durch die plötzliche Hitzeentwicklung die äußere Glashülle der Kugel explodiert, wird das Gasgemisch im Innern verdichtet. Diese Implosion heizt den Brennstoff auf schätzungsweise 10 Millionen Grad und komprimiert das Gas auf eine Dichte, die 200mal so hoch ist wie im Normalzustand. Obwohl die Temperatur noch weit unter der Zündtemperatur liegt, reicht sie aus, um eine geringe Fusion zu bewirken. Bei einigen Tests sind bis zu 10 Millionen Neutronen freigesetzt worden. Die ganze Masse fliegt sofort wieder auseinander, weil sie durch nichts zusammengehalten wird. Die Fusion dauert nur so lange, wie die Wasserstoffatome durch die Trägheit der Masse zusammengehalten werden; sie hört sofort auf, sobald das Gas durch den enormen Druck auseinandergerissen wird.

Diese Methode verspricht in mancher Hinsicht schneller zum Ziel zu führen als der magnetische Einschluß. Doch der gegenwärtige Stand der Entwicklung ist nichts weiter als ein Beweis dafür, daß die Idee wissenschaftlich vertretbar ist. Die Laserstrahlen verbrauchen tausendmal mehr Energie, als bei den Versuchen erzeugt wird. Mit Hilfe stärkerer Laser könnte man eine höhere Temperatur und somit eine ergiebigere Fusion erreichen. Soll so viel Energie erzeugt werden, wie die Laser verbrauchen, dann müssen sie 10- bis 100mal stärker sein als die besten, die man heute kennt.

Selbst wenn es gelingt, Laser herzustellen, die stark genug sind, läßt sich aus einem Glaskügelchen nur wenig Energie gewinnen. Um eine brauchbare Leistung zu erzielen, müssen die Laser Hunderte bis Tausende von Malen in der Minute einen Strahl „abfeuern“, und die Kügelchen müssen im richtigen Takt durch den Schnittpunkt fallen. Es wird noch große Anstrengungen erfordern, die Lebensdauer von Lasergeneratoren zu erhöhen und die Glaskügelchen preisgünstig in Millionenauflage herzustellen.

Ist die Kernfusion umweltfreundlich?

Ein Übel, von dem beide Methoden der Kernfusion nicht frei sind, ist die radioaktive Abstrahlung. Das läßt sich nicht leugnen, ungeachtet der Behauptung, dieser Fluch der Kernspaltung würde der Kernfusion nicht anhaften. Bei einigen Fusionsreaktionen (Nr. 4 und 5) ist Tritium — das radioaktive Isotop des Wasserstoffs — beteiligt. Auch entstehen bei diesen Reaktionen Neutronen, die in das Material des Reaktors dringen und es radioaktiv machen. Ein Blick auf die Tabelle verrät, daß die in der Sonne ablaufenden Reaktionen „umweltfreundlich“ sind. Es entsteht keine Radioaktivität. Die einzige Reaktion, auf die das auch zutrifft, ist die zwischen Deuterium und Helium 3 (Nr. 6). Leider erfordern all die „umweltfreundlichen“ Reaktionen eine sehr hohe Zündtemperatur.

Da die Deuterium-Tritium-Reaktion (Nr. 5) die niedrigste Zündtemperatur hat, ist sie die einzige, die zur Zeit in der Forschung verwendet wird, und sie ist auch diejenige, die in den ersten Fusionskraftwerken ablaufen wird. Sie erzeugt Unmengen von Neutronen — weit mehr pro Energieeinheit als die Uranspaltung. Dadurch wird alles in und um den Reaktor radioaktiv. Es wird also sehr gefährlich sein, Reaktorteile zu bearbeiten oder auszubauen, falls sie reparatur- oder erneuerungsbedürftig sind.

Zudem entstehen Schäden an der Metallummantelung des Reaktors, denn die Neutronen schlagen dort Atome heraus. Dadurch wird das Material geschwächt, so daß z. B. die Magnetsegmente des Reaktors wahrscheinlich nicht länger als zwei bis fünf Jahre halten werden. Diese 3 500 Tonnen schweren und 9 Stockwerke hohen radioaktiven Bauteile aus dem Kraftwerk zu entfernen und zu beseitigen wird keine leichte Aufgabe sein. Womöglich ist dann der radioaktive Abfall von Fusionskraftwerken umfangreicher als der der heutigen Kernkraftwerke.

Oft wird auch übersehen, daß Tritium an sich schon radioaktiv ist. Tritium entsteht in geringsten Mengen in der Atmosphäre durch die Einwirkung kosmischer Strahlen. Aber es ist, pro Maßeinheit (Curie) gesehen, nicht annähernd so gefährlich wie beispielsweise die Spaltprodukte Jod und Strontium, doch die für ein Fusionskraftwerk benötigte Menge hätte Hunderte von Millionen Curie. Es läßt sich nicht vermeiden, daß etwas davon entweicht; im Regelfall wird es sich wohl auf 10 Curie pro Tag beschränken. Wenn es jedoch durch einen Unfall in größerer Menge frei wird — Wasserstoff, vermischt mit Luft, ist obendrein explosiv —, entsteht radioaktives Wasser, das die ganze Erde verseuchen könnte. Entweicht die Tritiumladung eines einzigen Kraftwerkes, dann könnte die Tritiumkonzentration in der Atmosphäre weltweit um 1 000 Prozent zunehmen.

In den USA kann man regelmäßig optimistische Presseberichte über einen neuen Durchbruch auf dem Weg zum Fusionskraftwerk lesen. Gewöhnlich erscheinen diese Berichte jedes Jahr um die Zeit, in der beim Kongreß mehr Gelder für die Forschung beantragt werden. Die Tatsachen zeigen, daß die wirtschaftliche Nutzung der Kernfusion noch lange auf sich warten läßt, selbst wenn alle heute bekannten Hindernisse beseitigt werden könnten. Edward Teller sagt, daß uns von einer brauchbaren Fusion durch Laserstrahlen noch zwei Generationen trennen.

Unbegrenzte Energie aus Kernfusion

Wenn man sich im Geiste ein ideales Fusionskraftwerk vorstellen würde, dann sähe es etwa so aus: Man nehme so viel Wasserstoff, daß er allein durch die Schwerkraft zusammengehalten würde; dadurch wären alle Probleme des Einschlusses gelöst. Der Druck, den die Schwerkraft auf diesen Wasserstoffball ausüben würde, ließe Temperatur und Dichte genügend hoch ansteigen, um die Fusionsreaktion zu zünden. Das Gleichgewicht zwischen Schwerkraft und innerem Druck würde automatisch die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmen, so daß sie weder zu langsam wäre noch außer Kontrolle geriete.

Statt eine Schutzummantelung zu bauen, um die Strahlung abzuschirmen, würden wir sie auf einen sicheren Wert begrenzen, indem wir diesen Fusionsreaktor einfach in genügend weiter Entfernung, z. B. 150 Millionen km, aufstellen würden. Statt Starkstromleitungen zu bauen, um die Energie zu übertragen, würden wir eine Übertragung in Form von Strahlungsenergie — Wärme und Licht — bevorzugen. Um uns schließlich vor „verirrten“ Protonen oder Neutronen zu schützen, müßten wir nur ein schwaches Magnetfeld um uns herum aufbauen und eine Luftschicht, die diese Teilchen auffangen würde.

Natürlich erkennt der Leser, daß diese Beschreibung genau auf den Fusionsreaktor paßt, den unser Schöpfer für uns geschaffen hat: die Sonne. Wie dankbar sollten wir doch dafür sein, daß der weise Schöpfer und Quell aller Energie uns Erdbewohnern eine störungsfreie, unbegrenzte Energiequelle gegeben hat. Obendrein kommt für diese Dienstleistung keine monatliche Rechnung ins Haus.

[Herausgestellter Text auf Seite 19]

Ein Fusionskraftwerk müßte man „alle 90 Minuten stillegen, um die Verunreinigungen herauszupumpen und neuen Brennstoff einzuführen“.

[Herausgestellter Text auf Seite 21]

„Die Tatsachen zeigen, daß die wirtschaftliche Nutzung der Kernfusion noch lange auf sich warten läßt, selbst wenn alle heute bekannten Hindernisse beseitigt werden könnten.“

Kernfusionsreaktionen

Die Kernreaktionen, die die Sonne „aufheizen“, können in kleinem Maßstab in einem Zyklotron oder in einer ähnlichen Anlage nachgeahmt werden. Dabei werden die Kerne leichter Atome in einem elektrischen Feld auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Ihre Energie mißt man in Einheiten von einer Million Elektronenvolt (MeV). Das ist die Energie, die ein Elektron oder Proton — jedes Teilchen mit nur einer Ladung — aufnimmt, wenn es durch ein elektrisches Feld von einer Million Volt bewegt wird. Man richtet einen Strahl solcher Partikeln auf ein Zielobjekt, um eine Reaktion zwischen den Atomkernen im Strahl und denen im Zielobjekt hervorzurufen.

Die nebenstehende Tabelle zeigt einige der Kernfusionsreaktionen, die von Kernphysikern im Labor erforscht worden sind. Bei jeder dieser Reaktionen befindet sich jeweils eines der Teilchen, die vor dem Pfeil eingetragen sind, im Zielobjekt, während das andere Teilchen mit hoher Geschwindigkeit darauf auftrifft. Bei der ersten Reaktion trifft der Kern eines Wasserstoffatoms auf den eines anderen, verschmilzt damit und setzt ein positives Elektron frei. Dabei geht Masse verloren, die sich gemäß Einsteins berühmter Gleichung E = mc² in Energie verwandelt. Folglich fliegen die Teilchen mit einer Energie auseinander, die größer ist als die der Teilchen vor der Verschmelzung. Die bei dieser Reaktion frei werdende Energie beträgt 2 000 000 Elektronenvolt.

Im Gegensatz dazu entsteht bei der Verbrennung von Kohle durch die Oxidation eines Kohlenstoffatoms eine Energie von 4 Elektronenvolt. Bei Kernreaktionen haben wir es mit Energiebeträgen zu tun, die millionenmal größer sind als bei chemischen Reaktionen.

Die ersten drei Reaktionen in der Tabelle betrachtet man als die grundlegenden Reaktionen, die in der Sonne ablaufen. Einige der anderen Reaktionen lassen sich im Labor leichter nachvollziehen. Du wirst feststellen, daß bei den Reaktionen Nr. 3, 5 und 6, bei denen Helium 4 entsteht, die erhaltene Energie viel größer ist. Das ist auf die engen Verbindungen zwischen zwei Protonen und zwei Neutronen zurückzuführen. Helium (He 4) ist ein sehr stabiles Element.