Was ist Kernfusion und wie funktioniert sie?

Derzeit erzeugen Kernkraftwerke Energie durch die Nutzung der Kernspaltung. Dabei wird ein schweres Atom, beispielweise das Uranisotop U-235, in zwei leichtere Atome gespalten. Dieser Prozess setzt eine enorme Menge nutzbarer Energie frei. 

Die Kernspaltung wird durch den Beschuss von Uran-235 (U-235) mit Neutronen ausgelöst. Treffen diese Neutronen auf U-235-Atome, werden weitere Neutronen freigesetzt, die wiederum mit anderen U-235-Atomen kollidieren und so eine Kettenreaktion in Gang setzen. Bei diesem Prozess kann zudem elektromagnetische Strahlung entstehen. Um die Energieausbeute zu maximieren, muss die Anzahl der an der Kernspaltung beteiligten Neutronen sorgfältig kontrolliert werden, damit die Kettenreaktion weder zum Erliegen kommt noch außer Kontrolle gerät. 

Fissionsreaktoren nutzen die dabei freigesetzte Energie auf dieselbe Weise wie konventionelle Kraftwerke. 
Die Kernspaltung findet in einem Reaktordruckbehälter statt und wird durch Steuerstäbe geregelt. Die bei der Reaktion entstehende Wärme wird genutzt, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen. Dieser Dampf treibt anschließend eine Turbine an, die Strom erzeugt. Für die sichere Entsorgung abgebrannter Brennelemente sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich, da diese radioaktiv sind und Halbwertzeiten von mehr als 10.000 Jahren aufweisen können. In vielen Fällen belaufen sich die Stilllegungs- und Rückbaukosten auf bis zu 15 % der ursprünglichen Investitionskosten.

Zu Herstelllung von Brennstoff für die Kernspaltung muss zunächst der Anteil des Uranisotops U-235 von seinem natürlichen Vorkommen von 0,7 %, im Uranerz auf die für den Spaltungsprozess erforderlichen 4 bis 5 % zu erhöht werden. Dies erfolgt mithilfe von 1.000 bis 2.000 Zentrifugenstufen. Dazu wird das Uranerz in UF6-Gas umgewandelt, aufbereitet und nach dem Anreicherungsprozess zu Brennstoffpellets verarbeitet. Der Zentrifugalprozess wird dabei unter exakt kontrollierten Vakuumbedingungen durchgeführt.

Zum Februar 2026 waren 416 Reaktoren mit einer Nettokapazität von ~400 GWir waren in Betrieb und beliefen 31 Länder. Diese Reaktoren erzeugen rund 9 % des weltweiten Stroms. Darüber hinaus befinden sich 70 Kernreaktoren im Bau. Uranerz wird in 10 Ländern bezogen und hat eine Energiedichte, die 70.000 Mal höher ist als die von fossilen Brennstoffen. Die Kosten für den Bau eines Kernkraftwerks können zwischen $2 und $20 Milliarden betragen, obwohl die Entwicklung kostengünstigerer, kleinerer Einheiten möglich ist.

Es wurden viele verschiedene Ansätze zur Realisierung der Kernfusion vorgeschlagen. Derzeit konzentriert sich die Forschung jedoch auf zwei grundlegende Formen der Einschließung.

Die magnetische Einschlussfusion (Magnetic Containment Fusion, MCF) gilt als einer der vielversprechendsten Wege zur kommerziellen Energieerzeugung. Dabei kommen mehrere hochleistungsfähige supraleitende Magnete zum Einsatz, die mit flüssigem Helium gekühlt werden, um optimale Betriebsbedingungen und eine maximale Systemleistung zu gewährleisten.

Die am häufigsten eingesetzten Anlagen zur magnetischen Einschlussfusion sind Tokamak und Stellarator, wobei einige Forschungseinrichtungen auch mit Magnetspiegel-Systemen experimentiert haben. Alle drei Anlagetypen verfügen über eine zentrale Vakuumskammer, in der das Plasma eingeschlossen wird und die Fusionsreaktion stattfindet. Die Vakuumkammer ist von einem Kryostat umgeben, in dem die superleitenden Magnete untergebracht und gekühlt werden. Während der Tokamak eine toroidale Form aufweist, ähnelt der Stellarator einem verdrehten Band.Magnetspiegel-Systeme higegen besitzen einen zylindrischen Aufbau. Das Magnetfeld hält die Teilchen kontinuierlich zusammen, während die hohen Temperaturen die Zündung des Plasmas ermöglichen.  

Die zweite wichtige Form der Einschließung ist die Trägheitseinschlussfusion (Inertial Containment Fusion, ICF).Bei diesem Verfahren wird Fusionsenergie erzeugt, indem kleine Pellets (1 bis 3 mm) von DT-Brennstoff mit Lasern oder geladenen Teilchenstrahlen bestrahlt werden, um das Gemisch zu komprimieren und bis zur Zündung zu erhitzen. Der Begriff Zündung beschreibt dabei den Zustand, in dem die entstehenden Alphateilchen vollständig im Plasma zurückgehlaten werden und dieses dadurch weiter aufheizen.

Die Verdichtung und Erwärmung erfolgn innerhalb kürzester Zeit duch kurzpulsigen Hochleistungslasern (1 bis 10 ns), Röntgenstrahlen oder Ionenstrahlen, die den Brennstoff aus vielen Richtungen treffen. Beim Direct-Drive-Verfahren werden die komprimierenden Energieimpulse direkt auf das Brennstoffpellet gerichtet. Bei der indirekten Trägheitseinschlussfusion (Indirect-Drive ICF) befindet sich das Brennstoffpellet in einem kleinen Metallhohlraum (Hohlraum bzw. Brennkammer). Die Laser werden auf den Hohlraum fokussiert und erhitzen ihn zu einem Plasma, das Röntgenstrahlen emittiert. Diese wird vom Pellet absobiert und führt zu dessen Verdichtung. Das Pellet wird dabei auf dieselbe Weise komprimiert wie beim Direct-Drive-Verfahren.  Im Vergleich zum Direct-Drive-Verfahren ist die Indirect-Drive-Ansatz deutlich weniger efficient.  Die Indirect-Drive-Technologie wird unter anderem für die Simulation von Kernwaffen eingesetzt.

Zur Stromerzeugung mittels ICF werden Brennstoffpellets in eine Vakuumreaktionskammer eingebracht und dort gezündet. Die Strahlung von Plasma- und Fusionsneutronen wird von flüssigem Lithium absorbiert. Die dabei entstehende Wärme wird bei konventionellen Kraftwerken zur Dampferzeugung genutzt. Gleichzeitig ensteht Tritium, das als neuer Brennstoff zurückgewonnen und wiederverwendet werden kann.

Sobald eine stabile Zündung erreicht ist, hat die Kernfusion das Potenzial, aus nur einer sehr geringen Brennstoffmenge enorme Energiemengen zu erzeugen - in einem kommerziellen Reaktor werden dafür lediglich rund 250 kg Brennstoff pro Jahr benötigt. 

Zu den wichtigsten Vorteilen der Kernfusion zählen die großen Verfügbarkeiten der Brennstoffe im Vergleich zu fossilen Energieträgern, das Fehlen schädlicher Nebenprodukte wie Treibhausgase sowie die inhärente Sicherheit im Vergleich zur Kernspaltung.

Im Vergleich zur Kernspaltung bietet die Kernfusion weitere Vorteile:

• Obwohl bei der Fusionsreaktion Neutronen freigesetzt werden, die für den Menschen gefährlich sein können, bleiben diese sicher eingeschlossen. Zudem endet die Neutronenerzeugung nahezu unmittelbar, sobald die Anlage abgeschaltet wird. 
  
• Fusion ist inhärent sicherer, da es keine Kettenreaktionen, Ausläufer oder Schmelzen gibt.
  
• Bei der Kernfusion entstehen extrem hohe Temperaturen. Sollte jedoch Plasma aus dem Reaktionsbereich entweichen, würde sich die Wärme rasch verteilen und abkühlen, ohne Schäden zu verursachen.
  
• Neutronen stellen zwar eine potentielle Gefahr da, können jedoch leicht abgeschirmt werden.
  
• Auch wenn bei der Kernfusion radioaktive Abfälle entstehen, ist deren Radioaktivität vergleichsweise kurzlebig – insbesondere im Vergleich zu den radioaktiven Abfällen aus der Kernspaltung. Dazu gehören auch Komponenten, die dem Neutronenbeschuss ausgesetzt sind, wie beispielsweise die Vakuumkanner.  
  
• Bei der Kernfusion entstehende Abfälle müssen weder zur Entsorgung noch zur Lagerung oder Wiederaufbereitung transportiert werden.

Der Vakuumbedarf in Fusionsreaktoren hängt von der jeweiligen Einschlussmethode und der Größe des Reaktors ab.

Der größte Vakuumbedarf bei der magnetischen Einschlussfusion besteht in der zentralen Vakuumkammer und der sie umgebenden Kryostatkammer. Diese Kammern können ein Volumen von mehr als 100 m³ aufweisen und müssen unter Ultrahochvakuum (UHV) von etwa 10-9 mbar betrieben werden, um eine Kontamination des Plasmas zu verhindern. 

Vakuum wird zudem für die Erzeugung von Tritium, das Abpumpen von Helium und die Rückführung des Brennstoffs benötigt. Bei der Trägheitseinschlussfusion (ICF) müssen sowohl die Reaktionskammer als auch Laser- oder Teilchenstrahlleitungen evakuiert werden.

Wie bei der magnetischen Einschlussfusion können hier sehr große Volumina unter Ultrahochvakuum (UHV) erforderlich sein, um Verluste und Beeinträchtigungen der Strahlqualität zu vermeiden. Turbomolekular- und Kryopumpen kommen hierbei am häufigsten zum Einsatz und müssen lokalen Strahlungsspitzen sowie starken Magnetfeldern standhalten. Ähnliche Anforderungen gelten für Vorvakuumpumpensysteme, Manometer und Ventile.

Eine der wichtigsten Anforderungen an Vakuumpumpen ist die Fähigkeit, mit Tritium umzugehen. Das bedeutet, dass Metalldichtungen bevorzugt werden und die Pumpen fluor-/halogen- und kohlenwasserstofffrei sein sollten. 

Bei magnetischen Einschlussverfahren müssen die Pumpen zudemin starken Magnetfeldern zuverlässig betrieben werden können, weshalb häufig zusätzliche Abschirmmaßnahmen erforderlich sind.  Da der verfügbare Platz rund um die Reaktionskammern begrenzt ist und Stillstände erhebliche kosten verursachen, müssen die Pumpen eine kompakte Bauweise aufweisen, äußerst zuverlässig arbeiten und einen möglichst geringen Wartungsaufwand erfordern.