mini|Modell eines der 18 Sektoren des im Bau befindlichen ITER-Tokamaks (rechts unten eine Person zum Größenvergleich)
Ein Kernfusionsreaktor oder Fusionsreaktor ist eine technische Anlage, in der die Kernfusion von Deuterium und Tritium als thermonukleare Reaktion kontrolliert ablaufen soll. Fusionsreaktoren, die zur Stromerzeugung in einem Fusionskraftwerk geeignet wären, existieren noch nicht.
Die Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Reaktorkonzepte Tokamak und Stellarator. Diese Entwurfsmuster beruhen auf der Technik des magnetischen Einschlusses. Wenige Gramm des Deuterium-Tritium-Gasgemisches werden in ein luftleeres, viele Kubikmeter großes, torusförmiges Behältnis eingebracht und auf 100 bis 150 Millionen Kelvin erhitzt. Bei diesen Temperaturen sind Elektronen und Atomkerne voneinander getrennt und bilden ein elektrisch leitendes Plasma. Um die torusförmige Plasmakammer sind supraleitende Elektromagnete angeordnet, die ein sehr starkes Magnetfeld von bis zu 12 Tesla Stärke erzeugen. Durch dieses Magnetfeld wird das Plasma in der Kammer so eingeschlossen, dass es die Wände nicht berührt. Bei einem Kontakt mit der Wand würde das Plasma sofort auskühlen, und die Reaktion würde zusammenbrechen. Die Teilchendichte entspricht dabei einem technischen Vakuum. Die stark exotherme Kernreaktion erfolgt durch die Verschmelzung der Atomkerne von Schwerem und Überschwerem Wasserstoff (Deuterium und Tritium) zu Helium, wobei energiereiche Neutronen freigesetzt werden. Im Außenmantel, genannt Blanket, wird die Bewegungsenergie der Neutronen in Wärme umgewandelt, die zur Stromerzeugung mittels einer Dampfturbine verwendet werden soll. Eine zweite Funktion des Blankets, welches deshalb hauptsächlich aus Lithium besteht, ist das Erbrüten von Tritium, das für die weitere Fusion benötigt wird.
Die wichtigsten europäischen Forschungsreaktoren sind die Tokamaks JET in Culham in Großbritannien und ASDEX Upgrade in Garching bei München sowie der Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald. Das zurzeit größte Projekt ist der internationale Forschungsreaktor ITER, ein Tokamak, der seit 2007 in Cadarache in Südfrankreich im Bau ist.
mini|Wendelstein 7-AS, bis 2002 in Garching betriebener Stellarator mini|Blick auf das Außengefäß des Wendelstein 7-X in Greifswald (2011) mini|Video: Wie arbeitet ein Kernfusionsreaktor?
Potentielle Energiequelle der Zukunft
Mit der Entwicklung von Kernfusionsreaktoren erhofft man sich die Erschließung einer praktisch unerschöpflichen Energiequelle ohne das Risiko katastrophaler Störfälle und ohne die Notwendigkeit der Endlagerung langlebiger radioaktiver Abfälle. Obwohl dieses Ziel bereits seit den 1960er Jahren verfolgt wird, rückt es wegen hoher technischer Hürden und auch aufgrund unerwarteter physikalischer Phänomene nur langsam näher.
Geschichte Grundlagenforschung Bereits während der Entwicklung der Atombombe legten Edward Teller, Enrico Fermi und andere Wissenschaftler erste Entwürfe zur Stromerzeugung durch kontrollierte Kernfusion vor. Ein Konzept sah vor, das für die Fusion auf mehrere Millionen Kelvin zu erhitzende Deuterium-Tritium-Plasma mithilfe eines Magnetfelds einzuschließen. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde auf dieser Basis in England das erste zivile Forschungsprogramm zur Nutzung der Kernfusion gestartet. George Paget Thomson und Moses Blackman verfolgten die Idee des ringförmigen Einschlusses des Plasmas weiter. Zur Aufheizung waren hochfrequente elektromagnetische Wellen vorgesehen.
Erste Stellaratoren und Tokamaks Dieses Konzept wurde in den folgenden Jahren unabhängig voneinander in zwei Varianten in den USA und der Sowjetunion weiterentwickelt. In den USA erarbeitete Lyman Spitzer den Stellarator, dessen Verhalten ab 1951 im Rahmen von Projekt Matterhorn und Projekt Sherwood unter anderem an der Universität in Princeton erforscht wurde.Joan Lisa Bromberg: Fusion-science, politics, and the invention of a new energy source. MIT Press, Cambridge 1982, ISBN 0-262-02180-3, S. 36ff ()
Zum Einschluss der Teilchen sollte ein Magnetfeld dienen, bei dem Feldlinien für den magnetischen Einschluss jeweils innerhalb ineinander geschachtelter Torusoberflächen verlaufen. Es zeigte sich bald, dass solche Flussflächen im Stellarator nicht leicht zu erreichen sind. Die theoretischen Grundlagen dafür wurden erst nach und nach entwickelt. Erst gegen Ende des 20. Jahrhunderts konnten die nötigen Berechnungen dank genügend leistungsfähiger Computer durchgeführt werden; dadurch wurde der Bau des Stellarators Wendelstein 7-X möglich, der 2015 sein erstes Plasma erzeugte.
In den Jahren 1950 und 1951 wurde in der Sowjetunion durch Andrei Sacharow und Igor Tamm eine andere Variante des magnetischen Einschlusses erprobt, der Tokamak. Nach diesem Konzept wirkt ein im Plasma selbst durch Stromfluss erzeugtes Magnetfeld beim Einschluss mit; der Strom im Plasma trägt darüber hinaus zu dessen Heizung bei. Im sowjetischen Tokamak T3 wurde im Jahr 1968 mit 10 Mio. Kelvin über 10 Millisekunden ein überraschender Temperaturrekord aufgestellt. Nachdem dies auch im Westen bekannt geworden war, wurde das einfachere Tokamak-Design zur Grundlage fast aller nachfolgenden einschlägigen Experimente.
Weitere historische Entwicklung
Die ersten Versuche zur Energiegewinnung aus Kernfusion hatten noch unabhängig voneinander und unter militärischer Geheimhaltung stattgefunden. Im Jahr 1956 brach Igor Wassiljewitsch Kurtschatow, der frühere Leiter des sowjetischen Atombomben-Programms, mit einem Fachvortrag im englischen Forschungszentrum Harwell die Geheimhaltung. Auf der zweiten internationalen Genfer Atomkonferenz wurden 1958 erstmals eine Offenlegung der Ergebnisse und eine stärkere internationale Zusammenarbeit beschlossen, auch angesichts der großen technologischen Schwierigkeiten.
In Europa wurde 1958 der Euratom-Vertrag unterzeichnet, in dem sich zunächst sechs Länder verpflichteten, im Bereich der Kernenergie und Kernforschung zusammenzuarbeiten. 1973 wurde der Bau des Joint European Torus (JET) in Culham (Großbritannien) beschlossen, des zurzeit größten Tokamaks. 1983 ging der Reaktor in Betrieb. Wenige Jahre zuvor wurde an dem Tokamak ASDEX erstmals eine Divertor-Geometrie getestet, die es erlaubt Verunreinigungen im Plasma aufgrund Wechselwirkungen mit der Wand deutlich zu reduzieren. Unter diesen Bedingungen wurde an ASDEX auch die sogenannte H-Mode (High Confinement Mode) entdeckt, ein selbstorganisierendes Operationsregime, das sich durch deutlich erhöhten Energie-Einschluss auszeichnet und das seither in der Mehrheit moderner Fusionsreaktoren ausgenutzt wird.
Am 9. November 1991 konnte am JET erstmals eine nennenswerte Energiemenge aus kontrollierter Kernfusion freigesetzt werden. Ein Deuterium-Tritium-Plasma lieferte zwei Sekunden lang eine Leistung von 1,8 Megawatt. Nachdem auch JET mit einem Divertor ausgestattet worden war, wurde 1997 eine Fusionsleistung von 16 Megawatt erreicht, wobei allerdings 24 Megawatt für die Plasmaheizung erforderlich waren.
Bereits seit dem sowjetischen Temperaturrekord von 1968 war an der amerikanischen Princeton University neben dem Stellaratorkonzept auch intensiv an Tokamak-Projekten gearbeitet worden. Am Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) im Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) konnten ähnliche Erfolge wie am konkurrierenden europäischen JET erzielt werden; 1994 wurden 10,7 Megawatt Fusionsleistung erreicht, 1995 eine Plasmatemperatur von 510 Mio. Kelvin. Der TFTR war von 1983 bis 1997 in Betrieb. Von 1999 bis 2016 wurde am Nachfolger National Spherical Torus Experiment (NSTX) geforscht.
Aktuelle Projekte Bis zu einem ersten praxistauglichen, im Dauerbetrieb arbeitenden und wirtschaftlich rentablen Fusionsreaktor sind auf den verschiedensten Gebieten noch eine Vielzahl technischer Schwierigkeiten zu überwinden. Die Entwicklung zur zivilen Nutzung der Fusionsenergie wird auch wegen der hohen Kosten in internationalen Projekten vorangetrieben. Dabei wird weltweit fast ausschließlich die magnetische Einschlussmethode verfolgt.
Im Juli 2020 begann die Montage des Tokamaks ITER.
Im Dezember 2020 wurde der chinesische experimentelle Kernfusionsreaktor HL-2M erstmals eingeschaltet.
Ebenfalls im Dezember 2020 meldete das südkoreanische Institut für Fusionsenergie, dass ein Plasma in der Versuchsanlage KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 20 Sekunden lang auf über 100 Millionen Kelvin gehalten werden konnte, mehr als doppelt so lange wie bei einem Versuch im Vorjahr.
Commonwealth Fusion Systems begann 2021 in Kooperation mit dem MIT einen kompakten Tokamak namens SPARC zu bauen. Bei einem Radius von 1,85 m soll eine Leistung von 140 MW erreicht werden. Dazu wird mit Hilfe von Hochtemperatursupraleitern ein Magnetfeld von etwa 12 Tesla aufgebaut, um damit eine selbst erhaltende Kernfusion mit Q ~ 11 zu erreichen.
Physikalische Grundlagen Deuterium-Tritium-Reaktion
mini|Ein Deuterium- und ein Tritium-Atomkern verschmelzen zu einem Heliumkern unter Freisetzung eines schnellen Neutrons
Bei einer Kernfusion verschmelzen Atomkerne zu einem neuen Kern. Viele Kernreaktionen dieser Art setzen Energie frei. So stammt auch die von der Sonne abgestrahlte Energie aus Kernfusionsprozessen. In ihrem Zentrum verschmilzt Wasserstoff in der Proton-Proton-Kette sowie im CNO-Zyklus unter einem Druck von 200 Milliarden bar bei etwa 15 Millionen Kelvin zu Helium. Diese Prozesse sind jedoch wegen des extremen Drucks für eine Nutzung auf der Erde ungeeignet.
Damit es zwischen zwei Atomkernen zur Fusionsreaktion kommt, müssen sie einander sehr nahekommen, auf etwa 2,5 Femtometer (siehe Starke Kernkraft). Dem steht die elektrische Abstoßung entgegen, die mit großem Energieaufwand (hoher Temperatur) überwunden werden muss. Die zu einer technischen Energiegewinnung geeigneten Fusionsreaktionen sind aus Untersuchungen mittels Teilchenbeschleunigern gut bekannt. Bei Beschleunigerexperimenten wird jedoch für den Betrieb der Apparatur viel mehr Energie aufgewendet, als die Reaktion dann freisetzt; ein Netto-Energiegewinn, also der Betrieb eines Kraftwerks, ist auf diese Weise nicht möglich.
Eine Kernfusion setzt dann und nur dann Energie frei, wenn die entstehenden Kerne insgesamt stärker gebunden sind als die beiden fusionierenden Kerne. Nach der Äquivalenz von Masse und Energie ist daher die Masse der entstehenden Kerne und Teilchen zusammen geringer als die Masse der fusionierenden Kerne; die Massendifferenz entspricht der freigesetzten Bindungsenergie. Die Wasserstoff-Isotope Deuterium (2H) und Tritium (3H) sind nur schwach gebunden, das Helium-Isotop 4He hingegen sehr stark. Zudem ist die zu überwindende elektrische Abstoßung bei der Fusion von Wasserstoff-Kernen am kleinsten, weil sie nur je eine einzige Elementarladung tragen. Als Fusionsbrennstoff ist deshalb ein Gemisch aus gleichen Anteilen Deuterium und Tritium vorgesehen:
Diese Reaktion zeichnet sich weiterhin durch einen – die Reaktionswahrscheinlichkeit charakterisierenden – Wirkungsquerschnitt aus, der schon bei technisch gerade noch erreichbaren Plasmatemperaturen ausreichend groß ist. Alle realistischen Konzepte für Fusionskraftwerke beruhen deshalb bis heute (2016) auf dieser Reaktion.
Fusion mit magnetischem Plasmaeinschluss
Die bisher aussichtsreichsten Konzepte für Fusionsreaktoren sehen vor, ein Deuterium-Tritium-Plasma in einem ringförmigen Magnetfeld einzuschließen und auf hinreichende Temperatur zu erhitzen. Um auf diese Weise einen Netto-Energiegewinn zu erreichen, muss das Plasmavolumen ausreichend groß sein (siehe A/V-Verhältnis).