Kernfusion: Verschiedene Techniken mit radikal neuen Ansätzen und verbesserten Konzepten warten auf den Durchbruch

Ursprünglich in "Physics of Plasma" erschienen, hat die Max-Planck-Gesellschaft kurz und knapp den derzeitigen Stand unterschiedlicher Systeme zur Kernfusion zusammengefasst. Sicherlich am interessantesten dürfte in diesem Zusammenhang das sogenannte Tripelprodukt sein, das die Dichte der verfügbaren Atomkerne, deren Temperatur und die Dauer eines stabilen Zustandes als Multiplikation der Werte wiedergibt.

Ist das Ergebnis hoch genug, wird Schwelle zu einer positiven Energiebilanz durch die jeweilige Technik überschritten. Es kommt also mehr Energie heraus als hineingesteckt wurde. Genau das wurde zum ersten Mal mit Laserfusion im Jahr 2021 erreicht. Die US-amerikanische Forschungseinrichtung "National Ignition Facility" hat Metallkugeln mit Laserlicht beschossen.

Die so ausgelöste Röntgenstrahlung erhitzt den Wasserstoff im Inneren auf die notwendige Temperatur. Gleichzeitig steigt der Druck in dem geschlossenen System erheblich, was die Kernfusion beschleunigt. Schlussendlich übersteigt die Wärmeenergie die benötigte Laserenergie.

In einem weiteren Schritt lässt sich die Kugel auch direkt beschießen bis zur Implosion, aber ohne zusätzliche Röntgenstrahlung. Das funktioniert aber noch nicht so zuverlässig. Und leider muss immer wieder eine neue Kugel eingesetzt werden. Ein Dauerbetrieb, der für ein Kraftwerk nötig wäre, lässt sich damit nicht realisieren.

Energiebilanz trifft Realität

Genau diesen Dauerbetrieb beherrscht - in der Theorie - aber ein Tokamak, ein gigantischer Elektromagnet, in dessen Innerem Plasma kreist, das mittels äußerer Einstrahlung und interner Heizung auf Temperatur gebracht wird. Der Energiebedarf ist jedoch so enorm, dass nicht einmal ITER, der erste voll funktionsfähige, noch im Bau befindliche Kernfusionsreaktor, Strom abgeben könnte - im Gegenteil.

Dafür ist die Technik ausgereift, wird seit Jahrzehnten erforscht und eignet sich für ein kommerzielles Kraftwerk, wenn denn irgendwann einmal der Energieüberschuss erreicht wird.

Was nicht heißt, dass ein anderes Konzept nicht doch noch an den bewährten Ideen vorbeiziehen kann. So gibt es Überlegungen, in einem Tokamak zusätzlichen Druck zu erzeugen. Das würde die notwendige Temperatur deutlich absenken, sodass auch bei diesem Prinzip die Realisierbarkeit zumindest in Sichtweite ist. Sein Tripelprodukt entspricht dem des Tokamak JT-60U in Naka, Japan. Das heißt, dass etwas zehnmal so viel Energie investiert werden muss, wie später zurückgewonnen werden kann.

Weitere Ideen wollen Aufprallenergien nutzen, um Druck und Temperatur ruckartig ansteigen zu lassen. First Light Fusion, ein Ableger der Universität Oxford, lässt eine mit Brennstoff gefüllte Kapsel beschießen. Die ausgelösten Schockwellen sollen den nötigen Druck erzeugen, um bessere Bedingungen für die Kernfusion zu erhalten. Hier steht aber nur grundlegende Idee fest, die Umsetzung bleibt nebulös.

Und bei den Unternehmen TAE und Helion werden gleich zwei bereits in Plasma umgewandelte Päckchen mit maximaler Geschwindigkeit in ein Magnetfeld geschossen und prallen dort direkt aufeinander. Hier liegen aber noch drei Zehnerpotenzen zwischen den experimentellen Ergebnissen und einer positiven Energiebilanz. Der Ertrag liegt also bei einem Tausendstel der vorher eingespeisten Energie.

Bedingungen wie im Kern der Sonne: Ideen dazu gibt es viele und die Forschung wird weitergehen, da das noch weit entfernte Ziel viel zu verlockend ist.