Alternatives Kernfusionskraftwerk Von Google unterstützter Fusionsreaktor läuft heiß

Das kalifornische Kernfusions-Startup TAE Technologies machte im vergangenen Monat Schlagzeilen, als es von großen Unternehmen wie Chevron und Google eine Finanzierung in Höhe von 250 Millionen Dollar erhielt. Das Unternehmen behauptet, dass sich ihr Ansatz zur Kernfusion von der gängigen Vorstellung unterscheidet und dass es bis zu den 2030er Jahren ein alternatives kommerzielles Kernfusionskraftwerk auf den Markt bringen kann.

Michl Binderbauer, ein Plasmaphysiker und Geschäftsführer des Unternehmens, erklärt, was TAEs Ansatz für die Kernfusion so besonders macht.

Wie Kernfusionsreaktoren funktionieren

Kernfusion ist ein Sammelbegriff für jede Reaktion, bei der buchstäblich die Kerne zweier verschiedener Atome verschmolzen werden. So einfach ist das. Dies steht im Gegensatz zur Kernspaltung, bei der ein Kern in zwei gespalten wird. Die Kernfusion wird in der Regel mit leichteren Elementen durchgeführt, die eine niedrigere Ordnungszahl (die Anzahl der Protonen im Kern) haben, während die Kernspaltung mit schwereren Elementen mit viel höherer Ordnungszahl durchgeführt wird.

Sowohl bei der Kernspaltung als auch bei der Kernfusion ist es wichtig, die richtigen Elemente zu wählen. Bei der Fusion ist das so, weil Elemente über einer bestimmten Atomzahl zwar fusionieren können, aber nicht die reichlich vorhandene Energie liefern, die wir mit den Versprechungen der Kernfusionsindustrie verbinden. In der Tat konzentrieren sich die meisten Fusionsprojekte auf die absolut leichtesten Elemente: Wasserstoff und Helium.

ITER – der massive Kernfusionsreaktor, der in den nächsten zehn Jahren in Südfrankreich gebaut wird – verwendet die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium. Die Namen bedeuten genau das, was Sie vielleicht denken: Deuterium hat eine Atommasse von zwei, Tritium von drei.

Der dominierende Fusionsreaktor-Typ

ITER repräsentiert auch den derzeit typischsten Fusionsreaktor, den Tokamak, einen donutförmigen Behälter, in dem extrem starke Magnete ein wirbelndes Plasma steuern, das eine Temperatur von mehreren Millionen Grad erreicht. In diesem Plasma finden die Fusionsreaktionen statt, bei denen Energie freigesetzt wird, welche die Wissenschaftler sammeln und im Idealfall in Strom umwandeln können. Das Deuterium- und Tritium-Brennstoffmodell ist ebenfalls üblich, aber Tritium ist extrem selten und muss speziell für ITER aus Lithium hergestellt werden.

All dies könnte mit einem Konzeptnachweis für die Fusionsenergie verziehen werden, aber bisher ist kein Fusionsreaktor auch nur annähernd in der Lage, mehr Energie zu erzeugen als die enorme Menge, die erforderlich ist, um die Maschine in Betrieb zu nehmen und auf mehrere Millionen Grad zu erhitzen. Diejenigen, die dem Ziel am nächsten gekommen sind – und das ist immer noch nicht genug –, haben sich nach kurzer Zeit wieder abgeschaltet. Die Welt hat die zahlreichen Tokamak-Experimente zur Kernfusion mit großem Interesse verfolgt, aber die Bühne ist auch für diejenigen bereitet, die etwas ganz anderes ausprobieren, wie Stellaratoren und andere Reaktorformate.

Neuer Brennstoff, neue Form

Hier kommt TAE Technologies ins Spiel. Sein Fusionsreaktor verwendet eine andere Brennstoffkombination, und der Reaktor selbst ist ein völlig anderer Formfaktor als Tokamaks oder Stellaratoren. Ein Tokamak verwendet einen Strom zur Steuerung des sonnenheißen Plasmas in einem Reaktor, während ein Stellarator dies nicht tut. Bei der TAE-Maschine handelt es sich um einen linearen Reaktor, der nicht radioaktiv ist, da er Wasserstoff und Bor verwendet: zwei reichlich vorhandene, natürlich vorkommende Elemente, die nur zu Helium reagieren.

Im Vergleich dazu wird der ITER neben Helium auch freie Neutronen erzeugen, die buchstäblich in die umgebenden Materialien einstrahlen werden. Aus diesem Grund wird der Ansatz von TAE als aneutronische Fusion bezeichnet. TAE verwendet „eine proprietäre Kombination aus Plasmaphysik und Beschleunigerphysik in einer linearen Form“, so CEO Binderbauer.

Und die Größe der Grundfläche ist dramatisch anders. „Unser derzeitiges Gerät der fünften Generation, Norman, ist 24 m lang und hat ein Vakuumgefäß mit einer Länge von etwa 4 m und einem Durchmesser von weniger als 2 m. Unsere nächste Anlage, Copernicus, wird etwa 50 Prozent größer als Norman sein und auf einer Fläche von 2 ha Platz finden. Im Gegensatz dazu ist das ITER-Gelände über 100 ha groß und der ITER-Tokamak-Vakuumbehälter hat einen Durchmesser von fast 20 m und ist 11,5 Meter hoch.“

Temperatur als Herausforderung

Natürlich gibt es einen Haken. „Eine der größten Herausforderungen bei Borwasserstoff ist die für die Fusion erforderliche Temperatur, die in der Größenordnung von einer Milliarde °C liegt“, sagt Binderbauer. (Zum Vergleich: ITER benötigt „nur“ eine Temperatur von 150 Millionen °C.) „Der Large Hadron Collider des CERN erreicht jedoch über fünf Billionen °C für Nicht-Fusionsanwendungen, so dass diese Bedingungen in Reichweite sind.“ Zum Vergleich: Der heißeste Teil der Sonne ist ihr Kern, der nach Angaben der NASA bis zu 15 Millionen °C heiß sein kann.

Wie bei vielen anderen Kernfusionsenergieprojekten werden auch für TAE die nächsten zehn Jahre entscheidend sein. Dabei ist es hilfreich, dass das Unternehmen auf enorme Investitionen von einigen der größten Akteure der Welt zählen kann. Gleichzeitig warten wir immer noch darauf, mit einem Fusionsreaktor Nettoenergie zu gewinnen – ganz zu schweigen von einem, der Temperaturen erreichen muss, die fast achtmal höher sind als bei ITER.

„Selbst Temperaturen von einer Milliarde Grad bedeuten keine brauchbare Energie“, erklärt der Fusionsgegner Steven B. Krivit. „Man braucht die richtige Temperatur, die richtige Einschlusszeit, die richtige Plasmadichte und, was am wichtigsten ist, die richtige Gesamtleistung des Reaktors.“ Einige dieser Komponenten fehlen noch in jedem Kernfusionsreaktor der Welt, aber sie könnten mit der Zeit noch hinzukommen.