Wird Fusion jetzt zur Option?

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Ich habe diesen Artikel im Februar 2023 geschrieben aber erst im April 2025 gepostet.

Am 5.12.2022 hat es endlich geklappt. Nach vielen Versuchen und mit mehreren Jahren Verspätung ist es WissenschaftlerInnen in der “National Ignition Facility” NIF am Lawrence Livermore National Laboratory zum ersten Mal gelungen eine Kernfusionsreaktion zu zünden, bei der mehr Energie freigesetzt als hineingesteckt wurde. Die Freude bei der Pressekonferenz einige Tage später war geradezu mit Händen zu greifen. Sogar die amerikanische Energieministerin war anwesend und sprach von einer “der beeindruckendsten wissenschaftlichen Leistungen des 21. Jahrhunderts”1. Seit diesem Durchbruch ist Kernfusion wieder in aller Munde und in einigen sehr euphorischen Berichten wird schon von einem Energiewunder gesprochen (z.B. hier). In diesem Post möchte ich zusammenfassen, was passiert ist, und was das Ergebnis bedeutet. Ein kleiner Spoiler direkt zu Anfang: Mit Energieerzeugung haben die erzielten Ergebnisse am NIF nicht ganz so viel zu tun, wie man vermuten könnte.

Fusion als unendliche Energiequelle auf der Erde

Aber fangen wir ganz am Anfang an, worum geht es überhaupt? Vereinfacht gesagt, ist Kernfusion ein Prozess, bei dem kleinere Atomkerne zu einem größeren Atomkernen verschmelzen (beispielsweise zwei Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern). Die Masse des dabei entstehenden Kerns ist geringer als die Summe der Massen der Kerne zum Beginn der Reaktion. Die verbleibende Masse wird in Form von Energie nach Einsteins berühmter Formel E=mc2 freigesetzt. Dabei können enorme Energiemengen erzeugt werden: In einem kg Deuterium, das typischerweise für menschengemachte Kernfusion eingesetzt wird, stecken 94 GWh. Das entspricht in etwa dem Strombedarf von einer großen Stadt wie Berlin für zwei Tage. Für die gleiche Energiemenge müssten ungefähr 4250 t (also über 4 Millionen kg) Kohle, oder 1,5 t (1500 kg) Uran verfeuert bzw. zur Kernspaltung gebracht werden. Im Prinzip wäre Kernfusion, gemessen an unserem heutigen Bedarf, also quasi eine unendliche Energiequelle.

Schon heute nutzen wir Menschen diese Energiequelle auf indirektem Weg, da in der Sonne Energie über Fusion erzeugt wird. Faszinierenderweise hat sogar ein Großteil der auf der Erde genutzten Energie die Fusion als Ursprung, da Kohle und Öl ja nichts anderes als gespeicherte Sonnenenergie enthalten. Was liegt da näher, als diese enorme Energiequelle auch auf die Erde zu holen und Kernfusion direkt zu benutzen.
Die erste Kernfusionsreaktion auf der Erde wurde 1934 in einem Experiment von Marc Oliphant und Ernest Rutherford durchgeführt. Dabei wurden Deuterium Atome zu Helium verschmolzen2. Seitdem fasziniert das Thema die Menschheit und bereits zu Beginn der 50er Jahre gelang es sowohl den USA als auch der Sowjetunion das Prinzip der Fusion für Waffen zu nutzen (die sogenannte H-Bombe oder Wasserstoffbombe)3. Die zivile Nutzung stellte sich aber als deutlich anspruchsvoller heraus und es wurde schnell klar, dass es große internationale Kollaborationen brauchen wird, um die enormen Herausforderungen zu meistern. Seit Mitte der 50er Jahre wird daher auch in internationalen Kollaborationen an diesem Thema geforscht4. Eine der Schwierigkeiten der zivilen Nutzung ist z.B., dass für die Kernfusion enorme Temperaturen benötigt werden. So findet die Verschmelzung von Deuterium zu Helium erst bei etwa 100 000 000°C statt 5. Diese hohen Temperaturen führen zum einen dazu, dass extrem hohe Energiemengen benötigt werden, um eine Reaktion zu starten, und zum anderen machen diese Temperaturen es extrem schwierig, die Reaktion in einem Behälter ablaufen zu lassen, ohne diesen dabei zu zerstören. Heute gibt es weltweit mehrere große Forschungsprojekte und mittlerweile auch einige Startups, die sich mit kontrollierter Kernfusion zur Energieerzeugung beschäftigen. Eine schöne Zusammenfassung der aktuellen Anstrengungen findet ihr in den Quellen6.

Das Experiment am NIF

Nun aber zum NIF, an dem der aktuelle Durchbruch gelungen ist. Seit den ersten Experimenten 2010 arbeiten ForscherInnen hier an Fusionsexperimenten 7. Das NIF wurde aber nicht etwa zur zivilen Erforschung der Fusionsenergie gebaut, sondern ist Teil des  “Stuartship and Management Programm” der USA. Dies ist ein Programm, das aufgesetzt wurde, nachdem Tests von Nuklearwaffen durch internationale Vereinbarungen untersagt worden sind. Die Idee hinter den am NIF aufgesetzten Experimenten ist daher, Fusionswaffen besser zu verstehen und ohne Waffentests die Funktionsfähig der Nuklearwaffen der USA zu gewährleisten 8.

In dem Experiment wird die Fusionsreaktion „gezündet“, indem Lichtpulse aus 192 Lasern auf ein kleines Kügelchen aus gefrorenem Deuterium gebündelt werden. Dabei entstehen so große Temperaturen, dass es zu einer Fusionsreaktion kommt. In diesem Aufbau spiegelt sich auch nochmal die Fragestellung des Experiments wieder: Es geht hier nicht darum eine kontinuierliche Kernfusion zu erzeugen, wie sie für die Energieerzeugung sinnvoll ist, sondern um ein Modellexperiment für eine kurze Reaktion, wie sie in einer Fusionswaffe stattfindet.

In diesem Experiment ist es den ForscherInnen nun am  05.12.2022 gelungen, mehr Energie durch die Fusionsreaktion zu erzeugen als hineinzustecken. Dabei wurde über die Laser 2,05 MJ in das Target mit dem Brennstoff eingebracht und bei der anschließenden Reaktion 3,15 MJ freigesetzt 9.

Drei wichtige Meilensteine


Aber auf diesen Punkt muss man nochmal genauer schauen, um wirklich zu verstehen, was dieses Ereignis nun für die Kernfusion als Energiequelle bedeutet. Im Wesentlichen gibt es nämlich 3 verschiedene Schwellen auf dem Weg zur kommerziellen Nutzung der Kernfusion. Jeder dieser Punkt ist ein sogenannter “Break-Even” Punkt, also ein kritischer Punkt ab dem sich plötzlich ein gewisser Aspekt der Kernfusion lohnt 10:

  1. Zuallererst muss wissenschaftlicher “Break-Even” erreicht werden. Das ist der Punkt, an dem der benötigte Treibstoff in einem Fusionsreaktor während der Reaktion mehr Energie freisetzt als er aufnimmt, was jetzt am NIF gelungen ist.
  2. Als nächstes muss der Ingenieurtechnische „Break-Even“ erreicht werden. An diesem Punkt ist es möglich, mehr elektrische Energie aus dem System zu erhalten, als zur Zündung hineingesteckt worden ist.
  3. Und schließlich, ganz am Ende dieser Kette steht der wirtschaftliche “Break-Even”. Dieser ist erreicht, wenn sich die Methode wirtschaftlich lohnt, also wenn das Produzieren des Treibstoffs (und das Bauen der Anlage) weniger Geld kostet als über den Verkauf des erhaltenen Stroms eingenommen werden kann.

Die wichtigste Frage ist nun also, wie weit die beiden weiteren Schritte nun noch nach Erreichen des wissenschaftlichen Break-Even entfernt sind. Dazu hilft ein Blick auf die Gesamtbilanz des Experiments: Um die 192 Laser zu betreiben, wurden für das Experiment 322MJ  eingesetzt 11. Damit sieht die Rechnung schon deutlich ernüchternder aus: 322MJ wurden benötigt um 3,15 MJ zu erzeugen. Das bedeutet, dass für den nächsten “Break-Even”, die erzeugte Energiemenge nochmals um mehr als einen Faktor 100 steigen muss. Ich schreibe hier mehr, weil ja die erhaltene Energie auch noch in elektrische (oder irgendeine andere nutzbare Form von) Energie umgewandelt werden müsste. Außerdem fehlt in dieser Betrachtung die Energie für die Produktion des Treibstoffpellets. Zusätzlich müsste man allein für die Umwandlung von Wärmeenergie in Elektrische Energie mit einem weiteren Faktor 2-3 rechnen, der über die gesamte Kette von Kernenergie zu Strom auch durchaus noch deutlich größer sein kann. Wie weit es dann von dem Ingenieurs Break Even noch zu einem ökonomischen Break-even ist, ist tatsächlich sehr schwer abzuschätzen, und eine solche Zahl wäre vermutlich zum jetzigen Zeitpunkt auch unseriös.

Bis zur Nutzbarmachung der Kernfusion muss es also noch eine ganze Menge an Optimierungen in der Energieausbeute geben und der aktuelle Erfolg ist kein großer Sprung in Richtung Nutzbarmachung der Fusionsenergie, sondern ein weiterer wichtiger Schritt auf einem sehr langen Weg.

Wasserstoffbomben und zivile Forschung.

Wie weiter oben schon erwähnt, ist das NIF auch nie mit dem Ziel erbaut worden Fusionsenergie zivil nutzbar zu machen. Natürlich kann auch aus Forschung für militärische Zwecke etwas nützliches für den zivilen Bereich entstehen, allerdings kann man sich in diesem Fall schwer vorstellen, dass aus dem Experiment am NIF eine kontinuierliche Energiequelle gebaut werden wird. Das ganze Experiment ist für einzelne Fusionsexperimente entwickelt. Die Vorbereitung eines jeden solchen Experimentes dauert Monate (allein um das Target zu produzieren 12) und die Fusionsreaktion nur wenige pikosekunden (90 um genau zu sein, das ist etwa der 10 milliardste Teil einer Sekunde). Um mit dieser Technik dauerhaft Strom zu erzeugen, müsste also ständig ein neues Deuterium Kügelchen in die Brennkammer eingebracht werden, gezündet werden und anschließend müssten vermutlich die Reste entfernt werden, um bereit für die nächste “Zündung” zu sein. Und dann ist noch nicht geklärt, wie die in sehr kurzer Zeit entstehenden “Energieblitze” aus der Brennkammer effizient in Strom umgewandelt werden können. Es ist natürlich nicht ausgeschlossen, dass für diese Probleme Lösungen gefunden werden. Allerdings ist es wohl eher wahrscheinlich, dass ein Projekt, das von vornherein auf Energieerzeugung ausgelegt und für kontinuierlichen Betrieb entworfen wurde zum Erfolg führt.

Von solchen Projekten gibt es sowohl internationale Großkolaborationen wie ITTER als auch viele in den letzten Jahren entstandene Startups13. Noch ist es keinem dieser Projekte gelungen, einen Break-even-Point zu knacken. Aber bei den meisten dieser Vorhaben dürfte der Ingenieurs Break Even näher an dem wissenschaftlichen Break Even liegen als bei dem Experiment im NIF. Je nach Bauart ist hier nur ein weiterer Faktor 10 nötig, um nach dem ersten Break Even auch den zweiten zu erreichen und nicht ein Faktor von mehreren 100 wie im NIF 14. Allerdings wird auch hier gelten, wenn der erste Durchbruch erreicht ist, wird noch einige Zeit vergehen, bis die Technologie nutzbar ist.

Fazit

Ob es sich bei der gezündeten Kernfusion tatsächlich um eine der größten wissenschaftlichen Errungenschaften des 21. Jahrhunderts handelt, ist Ansichtssache. Außer Frage steht aber, dass es sich um einen signifikanten Meilenstein handelt. ForscherInnen können nun Kernfusion und die Bedingungen für eine selbsterhaltende Reaktion weiter erforschen, um sie besser zu verstehen. Dieses Verständnis wird sicher auch Implikationen haben für eine zivile Nutzung. Allerdings ist auch klar, dass sich die hier gewonnenen Erkenntnisse nicht einfach eins zu eins auf eine mögliche Energiegewinnung übertragen lassen und klar ist auch, dass das Experiment am NIF nicht primär der zivilen Nutzung dient. Dass nun so viel über Energie gesprochen wird, liegt sicher auch an dem geschickten Framing in den Veröffentlichungen des NIF, bei denen zwar immer ehrlich auf Beschränkungen und eigentliche Ziele des NIF eingegangen wird aber auch nicht mit Referenzen zu Energiegewinnung gespart wird.

Wie so häufig in der Wissenschaft handelt es sich bei dem Ergebnis am NIF nicht um einen großen Durchbruch, sondern einfach um einen weiteren inkrementellen Schritt auf dem Weg zur Fusion auf der Erde. Wann also können wir die unendliche Energiequelle der Fusionsenergie nutzen? Thomas Klinger, der Leiter des Fusions Großexperiment Wendelstein 7-X geht z.B. davon aus, dass wir nicht vor der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts das erste Fusionskraftwerk sehen werden 15, was mir als frühestmöglicher Zeitpunkt realistisch vorkommt. Alles in Allem hat sich der Ausblick auf die Zukunft der Kernfusion durch die Ergebnisse im NIF also gar nicht wesentlich verändert. Es sind noch viele Schritte nötig, bevor sich mit Kernfusion sinnvoll Energieerzeugung betreiben lässt. Die große Aufmerksamkeit, die das Thema nun wieder bekommt, wird sicher dazu führen, dass weiteres Funding in die Erforschung von Fusionsenergie fließt, was zukünftige Schritte beschleunigen kann und unter Umständen der größere Effekt ist als das Ergebnis selbst.

Sicher ist aber auch:
So spannend das Thema wissenschaftlich ist, und so groß die Verheißung auch sein mag, warten sollten wir als Gesellschaft auf eine endlose Energieversorgung durch Kernfusion nicht. Niemand weiß wann es soweit sein wird und ob es dann wirtschaftlich sinnvoll ist, diese Energiequelle auch zu nutzen, steht in den Sternen.

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  1. U.S. Department of Energy „Livestream: Secretary Granholm to Announce Major Scientific Breakthrough by DOE National Laboratory.“ YouTube, gestreamt am 13.12.2022. ↩︎
  2. Florian Freistetter: „Der lange Weg zu unendlicher Energie„. Spektrum, 05.05.2019, abgerufen am 26.02.2 ↩︎
  3. „Thermonuclear Bomb„. Britannica, abgerufen am 26.02.23. ↩︎
  4. Barbarino, M. A brief history of nuclear fusion. Nat. Phys. 16, 890-893 (2020). ↩︎
  5. Ball, Philip. „The chase for fusion energy„. nature.com, 17.11.2021, abgerufen am 26.02.23. ↩︎
  6. Siehe 5. ↩︎
  7. „1st Successful Ignition Experiment at NIF„. Photonics, 25.10.2010, abgerufen am 26.02.23 ↩︎
  8. Mecklin, John. „The Energy Department’s fusion breakthrough: It’s not really about generating electricity.“ Bulletin of the Atomic Scientists, 16.12.2022, abgerufen am 26.02.23 ↩︎
  9. Jeff Tollefson and Elizabeth Gibney. Nuclear-fusion lab achieves ‘ignition’: what does it mean?. Nature 612, 597-598 (2022). ↩︎
  10. Steven B. Krivit. „Fusion Q-Values and Breakeven Explained.“ New Energy Times, 08.04.2022, abgerufen am 26.02.23. ↩︎
  11. Siehe 9. ↩︎
  12. Siehe 1. ↩︎
  13. Siehe 5. ↩︎
  14. Siehe 10. ↩︎
  15. Hirsch, Christopher. „Experte nach Erfolg in den USA: Fusionskraftwerk kommt nicht schneller.“ heise online, 02.01.2023, abgerufen am 26.02.23 ↩︎

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