Bei der Kernfusion verschmelzen leichte Atomkerne zu schwereren, genau wie in der Sonne. Dabei wird enorm viel Energie frei: Ein Gramm Fusionsbrennstoff liefert so viel Energie wie mehr als zehn Tonnen Steinkohle.
Was ist Kernfusion?
Kernfusion verbindet leichte Atomkerne zu schwereren. Dabei wird Energie frei, so leuchten auch die Sterne.
Warum braucht Fusion Millionen Grad?
Atomkerne sind positiv geladen und stoßen sich deshalb gegenseitig ab. Damit sie verschmelzen, müssen sie mit sehr hoher Geschwindigkeit aufeinanderprallen. Temperatur ist ein Maß dafür, wie schnell sich Teilchen bewegen, deshalb muss der Brennstoff extrem heiß sein.
Kalt
Bei niedriger Temperatur bewegen sich die Wasserstoffsorten Deuterium (D) und Tritium (T) langsam und ungeordnet. Sie kommen sich kaum nahe.
Warm
Gleich geladene Kerne stoßen sich immer ab, bei jeder Temperatur. Mit steigender Temperatur werden die Teilchen zwar schneller, doch noch nicht schnell genug: Kurz bevor sie sich berühren, drückt die Abstoßung sie wieder auseinander.
Extrem heiß
Bei rund 150 Millionen Grad, zehnmal heißer als im Inneren der Sonne, sind die Teilchen so schnell, dass sie die Abstoßung überwinden und frontal zusammenstoßen.
Fusion
Die beiden Kerne verschmelzen zu Helium (He). Dabei wird ein Neutron (n) frei, das mit großer Energie davonfliegt.
Was passiert bei der Verschmelzung?
Ein genauerer Blick ins Innere der Atome zeigt, woraus Deuterium und Tritium bestehen und woher die Energie stammt.
- Proton
- Neutron
- Elektron
Zwei Atome
Der Kern von Deuterium besteht aus einem Proton und einem Neutron, der von Tritium aus einem Proton und zwei Neutronen. Um jeden Kern kreist ein Elektron.
Plasma
In der Hitze lösen sich die Elektronen von den Kernen. Dieses Gemisch aus freien Elektronen und nackten Kernen heißt Plasma. Die Kerne können nun direkt aufeinanderprallen.
Verschmelzung
Kommen sich die Kerne nah genug, hält die starke Kernkraft sie zusammen. Für einen winzigen Augenblick bilden zwei Protonen und drei Neutronen einen gemeinsamen Kern.
Helium und Neutron
Dieser Kern zerfällt sofort in einen Heliumkern und ein freies Neutron. Beide zusammen sind etwas leichter als die Ausgangskerne, die fehlende Masse wird als Energie frei. Das schnelle Neutron trägt rund vier Fünftel davon und soll im Kraftwerk Wärme erzeugen.
So könnte ein Fusionskraftwerk aussehen
Ein Fusionskraftwerk funktioniert im Prinzip wie ein herkömmliches Wärmekraftwerk: Die frei werdende Energie erhitzt Wasser, der Dampf treibt eine Turbine an und ein Generator erzeugt Strom. Neu ist nur die Wärmequelle. Durchgezogene Linien zeigen heißes Wasser und Dampf, gestrichelte das abgekühlte Wasser auf dem Rückweg.
Plasma
Im Inneren schwebt das rund 150 Millionen Grad heiße Plasma. Starke Magnetspulen, hier schwarz gezeichnet, halten es von der Wand fern. Dort verschmelzen Deuterium und Tritium.
Blanket
Die schnellen Neutronen verlassen das Plasma und werden in der umgebenden Wand, dem Blanket, abgebremst. Ihre Bewegungsenergie wird dabei zu Wärme. Zugleich erzeugt das Blanket aus Lithium neues Tritium.
Dampferzeuger
Wasser kühlt das Blanket und bringt die Wärme zum Dampferzeuger. Dort bringt sie das Wasser eines zweiten Kreislaufs zum Kochen.
Turbine
Der heiße Dampf strömt unter hohem Druck durch die Turbine und versetzt sie in schnelle Drehung.
Generator
Die Turbine treibt den Generator an. Er wandelt die Drehung in elektrischen Strom um, der ins Netz fließt.
Kondensator
Hinter der Turbine kühlt der Dampf ab und wird wieder zu Wasser. Es fließt zurück zum Dampferzeuger, und der Kreislauf beginnt von vorn.
Welche Reaktortypen gibt es?
Weltweit werden vor allem drei Wege erforscht, das heiße Brennstoffgemisch lange und dicht genug zusammenzuhalten. Zwei davon nutzen Magnetfelder, einer setzt auf Laser.
Tokamak
Ringförmige Spulen und ein elektrischer Strom im Plasma selbst erzeugen gemeinsam das Magnetfeld, das das Plasma in einem Ring hält. Der Tokamak ist das am weitesten entwickelte Konzept.
Stellarator
Hier formen allein die Spulen das Magnetfeld. Sie sind kunstvoll verdreht, sodass sich das Plasma wie ein verdrilltes Band um den Ring windet. Dafür kann ein Stellarator ohne Pausen laufen.
Laserfusion
Starke Laserpulse treffen von allen Seiten auf ein winziges Brennstoffkügelchen. In Milliardstelsekunden wird es so stark verdichtet und erhitzt, dass die Kerne verschmelzen.
Häufig gestellte Fragen
Die Kernspaltung geht den umgekehrten Weg: Sie teilt schwere Atomkerne wie Uran in kleinere Kerne. Die Fusion verbindet dagegen leichte Kerne und kommt ohne Uran aus. Eine Kettenreaktion ist bei der Fusion physikalisch ausgeschlossen, und es entstehen keine abgebrannten Brennelemente, die über Jahrtausende gelagert werden müssen.
Die Entwicklung kommt so schnell voran wie nie zuvor. 2022 hat die National Ignition Facility in den USA erstmals mehr Energie aus der Fusion gewonnen, als die Laser in den Brennstoff gesteckt hatten. Anlagen wie Wendelstein 7-X stellen immer neue Rekorde auf, und Staaten wie private Unternehmen investieren weltweit Milliarden. Viele Unternehmen planen erste Pilotkraftwerke für die 2030er-Jahre. Mit den richtigen Rahmenbedingungen kann Deutschland dabei ganz vorne mitspielen.
Der Bundesverband für Kernfusion bringt Unternehmen, Forschungseinrichtungen und weitere Akteure zusammen, damit aus Spitzenforschung saubere Energie wird. Er informiert Politik und Öffentlichkeit über die Chancen der Kernfusion und den Stand der Entwicklung. Außerdem vertritt er die gemeinsamen Anliegen seiner Mitglieder und setzt sich dafür ein, dass Deutschland zum führenden Standort für Fusionsenergie wird.
Ja, Sicherheit ist eine der großen Stärken der Fusion. Eine Kettenreaktion wie bei der Kernspaltung ist physikalisch ausgeschlossen. Im Reaktor befinden sich immer nur wenige Gramm Brennstoff, und bei jeder Störung kühlt das Plasma in Sekundenbruchteilen ab, sodass die Reaktion von selbst erlischt. Eine Kernschmelze kann es nicht geben. Für den Umgang mit Tritium und aktivierten Bauteilen gibt es bewährte Schutzkonzepte.
Gemeinsam bringen wir die Fusion schneller voran. Unternehmen und Organisationen, die an Kernfusion arbeiten oder ihre Entwicklung unterstützen möchten, können Mitglied werden. Auch als Einzelperson helfen Sie mit, indem Sie unsere Veranstaltungen besuchen, mit uns ins Gespräch kommen und Ihr Wissen über Fusionsenergie weitergeben. Schreiben Sie uns einfach, wir freuen uns auf Sie.
Fusionsenergie vereint, was eine klimafreundliche Stromversorgung braucht. Sie liefert rund um die Uhr Strom, unabhängig von Wetter und Tageszeit, und stößt im Betrieb kein CO₂ aus. Der Brennstoff ist praktisch unerschöpflich: Deuterium steckt im Meerwasser, und Tritium wird im Kraftwerk selbst aus Lithium erzeugt. Ein Fusionskraftwerk braucht wenig Fläche und hinterlässt keine langlebigen Spaltprodukte.