Kernfusionskraftwerke: Herausforderungen und Einsatzmöglichkeiten

„Ich halte es für realistisch, dass ein erster Fusionsreaktor in 20 bis 25 Jahren mehr Energie erzeugt, als er verbraucht. Dafür müsste die Politik jetzt den Startschuss geben und die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie im großen Maßstab fördern. Dieser erste Reaktor wäre aber noch kein Kraftwerk, das 24 Stunden am Tag Strom liefern kann. Es wäre ein erstes stromlieferndes Fusionskraftwerk. Denn auch wenn das Ziel erreicht ist, dass ein Kraftwerk mehr Strom ins Netz speist, als es für den Betrieb benötigt, müssen wir noch viel lernen: Die Komponenten müssen aufeinander abgestimmt werden und eine ferngesteuerte Reparatur und Wartung muss erprobt werden. Bis die erste Industriegeneration einsatzbereit ist, wird es meiner Einschätzung nach mindestens weitere 10 Jahre dauern. Ich teile die Einschätzung des TAB, dass der erste funktionsfähige Reaktor die Fusion unter Magneteinschluss umsetzt. Die Laserfusion steht auf dem Weg zu einem Reaktorkonzept noch vor weitaus größeren Herausforderungen.“

„Es ist eine politische Frage, wie unser Stromsystem in Zukunft aufgestellt sein soll. In Deutschland gibt es die sehr spezielle Sichtweise, dass Wind und Sonne für einen überwiegenden Teil der Stromproduktion genutzt werden sollen. In diesem Fall braucht man zur Ergänzung schnell regelbare Kraftwerke. Kernfusionskraftwerke könnten das nur begrenzt leisten. Man kann Fusionsreaktoren schon so konzipieren, dass sie schnell regelbar sind – aber nicht von zehn Prozent ihrer Leistung auf 100 Prozent, sondern eher im Bereich zwischen 70 und 100 Prozent. Auch weil der Bau eines Fusionskraftwerkes eine große Investition ist, wäre es sinnvoll, dann auch einen möglichst konstant hohen Output des Stroms zu nutzen.“

„Fusionskraftwerke könnten als Grundlastkraftwerke dienen und den Strom liefern, der sich nicht flexibel an das Angebot von Wind und Sonne anpassen kann.“

„Eine Alternative wäre – wie auch im TAB-Bericht ausgeführt – eine Anwendung abseits oder zusätzlich zum Stromsektor. Dabei käme die Produktion von Wasserstoff oder die Nutzung der entstehenden Wärme in Frage. Hier möchte ich zwei Optionen erwähnen, die im Bericht zu kurz kommen: In Fusionskraftwerken entstehen sehr hohe Temperaturen von etwa 700 Grad Celsius. Man könnte diese Temperaturen einerseits als Prozesswärme für die Industrie nutzen, die heute meist fossil erzeugt wird.
Andererseits könnte man mit den Temperaturen auch Wasserstoff erzeugen, ohne den Umweg über den Strom und die Elektrolyse zu gehen. Denn es gibt chemische Redox-Reaktionen wie zum Beispiel eine Schwefel-Jod-Reaktion, die durch hohe Temperaturen ausgelöst wird und bei denen Wasserstoff entsteht.“

„Das Entstehen von radioaktiven Abfällen ist ein Punkt, der in der Diskussion um Kernfusionsreaktoren relevant ist. Denn man muss bei jeder Technik, die schnelle Neutronen erzeugt, damit rechnen, dass die umliegenden Materialien durch den Neutronenbeschuss radioaktiv werden. Man kann das bei der Fusionsreaktion relativ genau einschätzen und durch gute Materialforschung verhindern, dass dabei hochradioaktive und langlebige Isotope entstehen, die geologisch gelagert werden müssen. Die Frage ist allerdings, wie man mit den trotzdem aktivierten Materialien umgeht. Da muss man sich Gedanken drüber machen. Das Brutblanket (das im Fusionsreaktor die innere Wand des Plasmagefäßes bedeckt und in dem das Tritium erbrütet wird; Anm. d. Red.) muss wegen des hohen Verschleißes voraussichtlich alle paar Jahre ausgetauscht werden. Diese Materialien muss man dann etwa 100 bis 200 Jahre zwischenlagern, bis man sie gefahrlos wiederverwenden kann. Die entstehenden Mengen sind relevant, aber nicht unüberschaubar, sodass ich das Thema nicht für ein K.-o.-Kriterium für die Fusionsenergie halte.“

„Für die Kernfusion benötigt man Tritium, ein Wasserstoff-Isotop. Hier beschreibt der TAB-Bericht sehr schön, dass es zu Beginn nicht genug Tritium geben wird, um gleichzeitig mehrere Reaktoren zu betreiben. Das Tritium wird in ersten Fusionsreaktoren zunächst gebrütet werden müssen, was einen Hochlauf der Kernfusion als Energiequelle verzögern kann.“

„Helium hingegen schätze ich als wenig problematische Ressource ein. Es wird in Fusionsreaktoren benötigt, um die supraleitenden Spulen zu kühlen. Es stimmt zwar, dass mit einer zurückgehenden Erdgas-Förderung auch die Heliumquellen abnehmen könnten, aber die benötigten Mengen sind im Vergleich zu anderen Industrien nicht so relevant.“

„Beryllium ist insofern kritisch, als das die angenommenen Vorräte nicht besonders groß sind. Momentan wird es nicht so stark nachgefragt, die jährlichen Produktionsmengen ließen sich also vermutlich erhöhen. Aber irgendwann könnte Schluss sein. Allerdings war es nie geplant, dass man Beryllium als Material für die erste Wand eines Reaktors verwendet. Im Brutblanket eines Reaktors lässt sich alternativ Blei zur Neutronenvervielfachung verwenden, das allerdings andere Probleme mit sich bringt.“

„Beim Lithium sind nicht die reinen Mengen das Problem, sondern die Anreicherung eines bestimmten Isotops des Lithiums (Li-6). Der in den 1950er-Jahren in den USA entwickelte Prozess, das Li-6 anzureichern ist ziemlich schmutzig, denn dabei kann Quecksilber in die Umwelt gelangen. Das KIT arbeitet momentan aber daran, diesen Prozess zu optimieren. Hier muss sich die Verfahrenstechnik weiter entwickeln, dann sehe ich das als ein lösbares Problem an.“

„Fusionsenergie soll laut Roadmap der Europäischen Union, die auch von unserem Institut mitentwickelt wurde, zu Beginn der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts verfügbar sein. Die Entwicklung basiert auf einem Stufenplan, bei dem zunächst kleinere Magnetfusions-Anlagen die materialtechnischen und physikalischen Grundlagen für größere Kraftwerke erforschen. Erreichte Meilensteine wie der Energierekord am europäischen Tokamak JET zeigen den Fortschritt, obwohl derzeit keine Magnetfusionsanlage eine positive Energiebilanz erreichen kann – dies ist jedoch so geplant. ITER wird die erste Anlage sein, die mehr Energie liefert, als Heizenergie zugeführt wurde, während ihr Nachfolger DEMO Strom für den Netzbetrieb erzeugen soll. Die Entwicklung eines Fusionskraftwerks ließe sich beschleunigen, indem wir mehr parallelisieren. Bei deutlich höherer Förderung und für die Fusion passenden Genehmigungsverfahren könnte ein erstes Kraftwerk bereits etwa 20 Jahre nach dem Start eines ambitionierten Programms ans Netz gehen.“

„Der TAB-Bericht diskutiert die Möglichkeiten einer sogenannten Volumetric Neutron Source (VNS). Damit ist ein kleine Fusionsanlage gemeint, an der kraftwerksrelevante Komponenten und ihr Zusammenspiel getestet und weiterentwickelt werden können. Eine VNS, die parallel zur Realisierung von DEMO betrieben wird, kann sinnvoll sein. Wir diskutieren das Thema gerade. Würde allerdings zunächst eine VNS gebaut, bevor DEMO realisiert wird, könnte das die Nutzung der Kernfusion auf der europäischen Roadmap um etwa 30 Jahre verzögern.“

„Fusionskraftwerke können Strom produzieren, aber auch Prozesswärme für die Industrie liefern und Energie für die Herstellung künstlicher Treibstoffe wie Wasserstoff bereitstellen. Darüber hinaus ist damit zum Beispiel auch denkbar, die Energie zu nutzen, um CO₂ aus der Luft abzuscheiden und Meerwasserentsalzungsanlagen zu betreiben. Wir gehen davon aus, dass diese Kraftwerke eher im Dauerbetrieb laufen werden, also heutigen Grundlastkraftwerken vergleichbar sind.“

„Werden solche Kraftwerke in ein künftiges Energiesystem passen? Zur Beantwortung dieser Frage arbeiten wir mit auf diesem Gebiet kompetenten Wissenschaftlern zusammen, zum Beispiel mit dem Lehrstuhl für Erneuerbare und Nachhaltige Energiesysteme an der TU München. Ein Ergebnis der Untersuchungen: Fusionskraftwerke können in einem künftigen Strommarkt sehr gut und sinnvoll mit den Erneuerbaren zusammenspielen. Ihre Leistung ist bei Bedarf regelbar [1]. Wenn man davon ausgeht, dass Fusionskraftwerke sowohl bei Bedarf Strom zur Verfügung stellen und in anderen Zeiten chemische Energiespeicher wie Wasserstoff produzieren, passen sie auch gut in ein Energiesystem der Zukunft.“

„Außerdem kann man heute weder die Energiesituation Deutschlands noch die der Welt in der zweiten Jahrhunderthälfte seriös prognostizieren. Da geht es ja nicht nur um Stromerzeugung, sondern um den Primärenergiebedarf, der zurzeit in Deutschland zu drei Vierteln auf fossilen Quellen basiert und weltweit sogar zu einem noch größeren Anteil. Auch die Prognose für den Energiebedarf ist unsicher. Beispielsweise warnen Technologiekonzerne vor dem gigantischen Energiebedarf durch die Nutzung künstlicher Intelligenz. Und wie schnell energiepolitische Gewissheiten manchmal über den Haufen geworfen werden müssen, hat uns gerade der Ukraine-Krieg gezeigt.“

„Deshalb ist die Frage: Wollen wir jetzt in die Fusionsenergie investieren, damit sie uns angesichts der unsicheren Zukunft von Energiebedarf und -versorgung als verlässliche Energiequelle in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts zur Verfügung steht?“

„Die Strahlung von Fusionsabfällen nimmt deutlich schneller ab, als die von hochradioaktiven Abfällen aus Spaltungskraftwerken. Wissenschaftler forschen an Materialien für Wandkomponenten, welche die Aktivierung weiter reduzieren. Erforderlich sind Recycling-Technologien, durch die alle aktivierten Komponenten eines Fusionsreaktors nach einiger Zeit freigegeben oder in neuen Kraftwerken wiederverwendet werden können. Derzeit ist davon auszugehen, dass man mit dem Recycling per Fernhantierung (Remote Handling) bereits ein Jahr nach Abschaltung eines Fusionskraftwerks beginnen könnte. Anders als bei Kernspaltungsreaktoren sollte damit kein Endlager erforderlich sein.“

„Beim Rohstoff Lithium sehen wir prinzipiell keinen Engpass. Fusionskraftwerke werden nur einen kleinen Anteil der weltweiten Förderung beanspruchen. Investitionen in die Technologie-Entwicklung für die großskalige Anreicherung von Lithium-6 aus natürlichem Lithium sind erforderlich.“

„Beryllium ist das derzeit bevorzugte Material für den Neutronenmultiplikator im Brutblanket (das im Fusionsreaktor die innere Wand des Plasmagefäßes bedeckt und in dem das Tritium erbrütet wird; Anm. d. Red.). Sollte es langfristig in einer Vielzahl von Fusionskraftwerken eingesetzt werden, müssten verstärkt Recyclingmethoden genutzt werden. Denn während eines Jahres werden in einer Blanketkomponente nur etwa 0,2 Prozent des Berylliums verbraucht [2]. Die Fusionscommunity hat dieses Problem aber bereits erkannt und arbeitet an alternativen Konzepten, welche Blei als Neutronenmulitplier auch in fester Form vorsehen [3].“

„Helium soll als Kühlmittel im Brutblanket und in den Supraleitern eingesetzt werden. Für die ersten Jahrzehnte mit Fusionskraftwerken erwarten wir keinen Engpass [4].“

Hinweis der Redaktion:

Das SMC hat zunächst bei Expertinnen und Experten um Einschätzungen einer ersten Version des TAB-Berichts gebeten. Prof. Dr. Sibylle Günter meldete daraufhin eine detaillierte Auflistung mit möglichen Ungenauigkeiten und Fehlern des Berichts zurück. Das SMC hielt daraufhin Rücksprache mit dem TAB, sodass die Punkte vor Veröffentlichung geprüft werden konnten. Die Version, die am 09.01.2025 veröffentlicht wird, wurde vom TAB an wenigen Stellen überarbeitet. Die übrigen Punkte, die von Frau Prof. Dr. Günter weiterhin als relevant eingestuft werden, finden Sie hier.

„Der TAB-Bericht zeigt folgerichtig große Preisunsicherheiten bei den Stromgestehungskosten der Kernfusionskraftwerke aus heutiger Sicht auf. Diese werden auch – wie im Bericht beschrieben – insbesondere von den Volllaststunden abhängen, also davon, wie viele Stunden die Anlage pro Jahr unter möglichst hoher Last läuft. Wenn die Anlagen deutlich nach 2045 in den Markt kommen sollten – also wenn die Klimaneutralität bereits erreicht worden sein soll – werden sie in Deutschland vermutlich mit einem Stromsystem konfrontiert sein, welches insbesondere auf fluktuierenden Solar- und Windanlagen basiert. Diese liefern zeitweise sehr günstigen Strom.“

„Insofern ist ein ‚Dauerbetrieb‘ der Anlagen eher unwahrscheinlich. Es wird aus ökonomischen Gründen eher ein ‚Lückenfüller-Betrieb‘ stattfinden müssen. Diese Betriebsweise wird aber aus heutiger Sicht für eine Kombination aus Speichertechnologien und (wasserstoffbetriebenen) Gasturbinen kostengünstiger zu erzielen sein. Vermutlich wäre also ein Betreiben von Kernfusionskraftwerken in Ländern mit bestehenden Grundlastkraftwerken wie zum Beispiel Kernkraftwerken wirtschaftlicher – beispielsweise in Frankreich. Falls die optimistischen Szenarien aus dem Jahr 2005, die im TAB-Bericht zitiert werden, von Stromgestehungskosten von 3 bis 7 Eurocent₂₀₀₅/kWh sich dort wirklich ergeben würden, wäre ein Ersetzen von manchen Solar- und Windanlagen im Sinne eines Repowerings langfristig auch in Deutschland denkbar. Dies gilt insbesondere, wenn die Kernfusionskraftwerke auch zur lokalen Wärmebereitstellung genutzt werden können.“