Blog - Kernfusion: Dem großen Ziel ein Stück näher

Im Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Livermore, Kalifornien konnte bei einem Kernfusionsversuch der Anteil der zurückerhaltenen Energie von den bisherigen etwa 3% auf knapp 70% sprunghaft gesteigert werden. Dies ist ein erheblicher Fortschritt auf dem Weg zur Energie der Zukunft.

Erstellt von Dipl.-Ing. (TU) Stefan Merkle

31.08.2021

Laserfusion feiert Beinahe-Durchbruch

Ein großer Menschheitstraum ist es, die Kernfusionsprozesse, die auf der Sonne stattfinden, zur Energieerzeugung auf der Erde zu nutzen. Damit wären alle Energieprobleme, die wir heute durch Kernspaltung, fossile Kraftstoffe, Wasserkraft, Wind und Sonne zu lösen versuchen, obsolet.

Warum Kernfusion in einer anderen Liga spielt, zeigt ein grober Blick auf die Energiedichten:

Solar	1,37 10^-3	MJ/m² [1]
Wind	1,50 10^-3	MJ/m³ [2]
Wasserkraft	1,15 10⁰	MJ/m³ [3]
Batterie	2,00 10⁰	MJ/kg
Holz	1,68 10¹	MJ/kg
Diesel	4,00 10¹	MJ/kg
Wasserstoff	1,20 10²	MJ/kg
Kernspaltung	7,94 10⁷	MJ/kg
Kernfusion	8,00 10⁸	MJ/kg
Zerstrahlung Materie	8,98 10¹⁰	MJ/kg

Inwieweit regenerative Energien anders zu bewerten sind, soll hier gar nicht das Thema sein, ebenso wenig die Speicherbarkeit. Bei Kernfusion ist der Brennstoff „unbegrenzt“ verfügbar.
Das große Problem bei der technischen Umsetzung der Kernfusion war bisher, dass nur ein Bruchteil der zugeführten Energie, etwa 3% der Energie, die man hineingesteckt hat, wieder zurückerhalten hat. Soll die Kernfusion in nicht allzu ferner Zukunft das Energieproblem der Menschheit auf Erden lösen, muss mehr Energie freiwerden, als zugeführt wird.
Dieser Wert ist nun schlagartig auf 70% gestiegen. Bei einer Energiezufuhr von 1,9 MJ konnten 1,3 MJ zurückerhalten werden. Damit ist man dem Ziel, den Break Even zu erreichen, am 8. August 2021 im Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Livermore, Kalifornien so nahe gekommen, wie noch niemals zuvor.
Für die Kernfusion muss man höhere Temperaturen als auf der Sonne erzeugen, damit die Verschmelzung in Gang gesetzt wird und aufrecht erhalten werden kann. Die höheren Temperaturen für einen Fusionsprozess sind auf der Erde erforderlich, da die Gravitation auf der Sonne um ein Vielfaches höher ist und damit den Fusionsprozess unterstützt.

[1] Energiemenge, die auf 1 m² in einer Sekunde an Sonnenstrahlungsenergie auftrifft

[2] 1 m³ Luft bei 50 m/s Windgeschwindigkeit

[3] 1 m³ Wasser bei 118 m Fallhöhe (Itaipu)

Abbildung 1 Dem Durchbruch ein großes Stückchen näher

Abbildung 2 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ©

Die für die Kernverschmelzung notwendige Hitze und der Druck wird durch einen hochenergetischen und ultrakurzen Laserblitz erzeugt. Der Treibstoff aus einem Gemisch von den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium wird im Zentrum der Vorrichtung in einer zwei Millimeter großen Kapsel eingeschlossen, die in einem ein Zentimeter großen Zylinder aus Gold sitzt. Insgesamt 192 einzelne Laserstrahlen konzentrieren ihr Licht für 20 milliardstel Sekunden auf das Gold, das verdampft und Röntgenstrahlen ins Zentrum der Kapsel schleudert, die wiederum die Kapsel komprimieren und aufheizen, so dass die darin enthaltenen Atomkerne des Wasserstoffs verschmelzen.

Bis daraus ein kontinuierlicher Prozess entwickelt wird, der zur Stromerzeugung genutzt werden kann, ist sicherlich noch ein weiter Weg.

China vermeldete kürzlich einen Rekord, bei dem in einem Versuchsreaktor 120 Millionen Grad Celsius für 101 Sekunden aufrechterhalten werden konnten.

Die großen chinesischen Versuchsreaktoren arbeiten nach dem gleichen Prinzip, nach dem auch der Internationale Forschungsfusionsreaktor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) operieren soll, der bis 2025 in Cadarache fertiggestellt sein wird. In einem Donut-förmigen Ring wird Wasserstoffplasma beschleunigt, gebändigt und solange erhitzt, bis es zur Verschmelzung der Wasserstoff-Atome kommt.

Merkle & Partner hat für einige Komponenten von ITER diverse Untersuchungen durchgeführt. So z.B. für Siemens Nachweise zur Erdbebensicherheit des Hochvoltdecks oder für die Firma Cryotherm Nachweise der kryogenen Leitungen auf Temperatur, Druck und Erdbeben.

Im nuklearen Bereich setzen Firmen wie Engie, KSB und Rütschi auf unsere Kompetenz.

Ich wünsche mir, dass wir auch in Deutschland weiter an wirklichen Hochtechnologien wie der Kernfusion arbeiten, um Lösungen für den weltweit stark steigenden Energiebedarf zu entwickeln.

Gerne unterstützen wir auch Sie bei den Herausforderungen in Ihrem Unternehmen. Es muss ja nicht immer gleich ein Kernreaktor oder ein Fusionsreaktor sein.

Ihr Stefan Merkle