Energiesouveränität – langfristig durch Kernfusion?

Kernfusion bietet großes Potenzial für eine neue, nachhaltige Energiequelle. Besonders Industriestaaten benötigen zukunftstaugliche Konzepte und Lösungen für zusätzliche Energiequellen, die grundlastfähig sind und den Energiemix der Zukunft CO2-neutral ergänzen. Mit der weltweit erstmaligen Zündung eines brennenden Plasmas bei der lasergetriebenen Trägheitsfusion sowie maßgeblichen Fortschritten in der Magnetfusion gelangen in den letzten Jahren bemerkenswerte wissenschaftliche Durchbrüche.

Um die Forschung zielgerichtet und marktorientiert voranzubringen, ist eine enge und frühzeitige Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie unerlässlich. Fraunhofer verbindet Grundlagenforschung mit industriellen Anwendungen. Sie entwickelt Schlüsseltechnologien für Fusionskraftwerke, die auch für andere Industrien relevant sein und neue Märkte schaffen können: darunter Höchstleistungs-Kurzpulslaser, optische Technologien, Additive Manufacturing oder Materialwissenschaften. Dadurch sinken die Produktionskosten und perspektivisch auch die Kosten für Kernfusion.

Was kann Fraunhofer im Zusammenhang mit der Kernfusions-Technologie leisten?

Im Bereich der Kernfusion ist noch umfangreiche Vorlaufforschung erforderlich, die aber bereits im jetzigen Stadium mit Fokus auf Umsetzbarkeit und Wirtschaftlichkeit ausgelegt sein sollte. Gerade Entwicklungen in den Zuliefertechnologien, die für das Forschungsfeld nötig sind, bieten auch aktuell schon hohes Potenzial für Industriepartner. Die Fraunhofer-Gesellschaft mit ihrer starken Anwendungsorientierung und Industrienähe bietet sich hier als Schnittstelle an. 

Die deutsche Industrie und Forschungslandschaft nehmen eine Spitzenposition bei der Entwicklung von Schlüsseltechnologien ein. Gemeinsam mit Unternehmen möchte die Fraunhofer-Gesellschaft dem Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung BMBF an das deutsche Wissenschaftssystem nachkommen, Schlüsseltechnologien von der Grundlagen- in die angewandte Wissenschaft zu überführen, neue Märkte frühzeitig zu adressieren und die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie zu stärken. Ziel des aktuell veröffentlichten Förderprogramms Fusion 2040 ist es, ein Innovationsökosystem für die Fusion aufzubauen und im Rahmen von Public-Private-Partnerships anwendungsorientierte Verbundforschung zu fördern.

Magnetfusion und Trägheitsfusion – verschiedene Ansätze der Energiegewinnung

Im Gegensatz zur Kernspaltung werden bei der Kernfusion leichte Atomkerne miteinander verschmolzen (fusioniert), wobei Bindungsenergie freigesetzt wird, die anschließend in nutzbare Energieformen überführt wird.

Die Umsetzung der Kernfusion auf der Erde ist technisch hochanspruchsvoll. Um die sich zunächst stark abstoßenden Atomkerne zu verschmelzen, müssen extrem hohe Drücke und Temperaturen (von ca. 150 Millionen °C) erzeugt und über gewisse Zeitperioden aufrecht erhalten werden. Die dabei entstehenden Plasmen können nicht mehr in materiellen Gefäßen eingeschlossen werden.

Aus diesem Grund werden bei der sogenannten Magnetfusion (MCF »Magnetic Confinement Fusion«) magnetische Felder zum Einschluss genutzt. Starke Energieverluste durch Emission von Lichtquanten im Röntgenbereich und Verlust von heißen Teilchen müssen durch stetiges Nachheizen kompensiert werden. In internationalen Großprojekten werden Forschungsreaktoren basierend auf verschiedenen Magnetfeldgeometrien betrieben, in denen der notwendige Plasmadruck bisher für Sekunden bis Minuten aufrechterhalten werden konnte. Eine positive Energiebilanz soll 2035 mit dem derzeit größten Forschungsinstrument ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) erreicht werden, der seit 2007 im südfranzösischen Forschungszentrum Cadarache von den Mitgliedstaaten der EURATOM, China, Indien, Japan, Russland, Südkorea und USA betrieben wird.

Bei der Trägheitsfusion (IFE »Inertial Fusion Energy«) ist erst kürzlich ein wichtiger Durchbruch erreicht worden. Mit Hilfe einer Vielzahl von gepulsten Hochenergielasern wird das in kleinen Kapseln eingeschlossene Fusionsgemisch kurzzeitig auf die notwendige Dichte und Temperatur zur Verschmelzung komprimiert. Am Lawrence Livermore National Lab LLNL (Kalifornien, USA) wurde mit dieser Technik im Jahr 2021 weltweit erstmalig ein brennendes Fusionsplasma gezündet, das eine Fusionsenergie von 1,35 Megajoule (MJ) freisetzte, entsprechend etwa 70 Prozent der zur Kompression und Zündung genutzten Laserenergie. Folgeexperimente bauten das Verständnis der physikalischen Prozesse weiter aus. Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde am 5. Dezember 2022 die freigesetzte Fusionsenergie auf 3,15 MJ gesteigert, die durch eine Laserenergie von 2,05 MJ komprimiert und gezündet wurden. Der Netto-Energiegewinn beträgt so mehr als 150 Prozent. Damit konnte zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit ein brennendes Plasma im Labormaßstab auf der Erde gezündet werden, das mehr Energie durch Fusion freisetzte, als Laserenergie zur Kompression und Zündung eingestrahlt wurde. Dies ist ein entscheidender Meilenstein in der Fusionsforschung.

Die National Ignition Facility (NIF) ist eine experimentelle Versuchsanlage, die zur Erforschung und Generierung von brennenden Plasmen gebaut wurde. Eine Versuchsanlage zur Erforschung der Trägheitsfusion zur Energiegewinnung existiert noch nicht. Mit dem Ergebnis des NIF Experiments steht man jetzt an der Schwelle, diesen Pfad zu beschreiten und in der kommenden Dekade die erheblichen ingenieurwissenschaftlichen Herausforderungen zu lösen.

Erste privatwirtschaftliche Unternehmen, finanziert durch private Investoren, engagieren sich daher bereits auf diesem Gebiet. Derzeit sind über 30 Unternehmen im Bereich der magnetischen Fusionsenergie und der Magneto-Inertial-Technologien und 6 Unternehmen im Bereich IFE tätig. Die Gesamtinvestitionen sind nach Angaben der Fusion Industry Association (FIA) von 1,8 Milliarden Dollar in den letzten zwei Jahren auf heute über 4,7 Milliarden Dollar gestiegen. Vier der Start-ups sind in Deutschland ansässig.
 

Technologien made in Germany liefern relevante Beiträge zur Fusionsforschung

Deutschland verfügt bereits über umfangreiches Know-how in Schlüsseltechnologien, die für die Entwicklung der Kernfusion von Relevanz sind. Im Bereich des magnetischen Einschlusses sind zum Beispiel Forschende der Max-Planck-Gesellschaft weltweit führend. In der Lasertechnik und der optischen Industrie, die für die lasergetriebene Trägheitsfusion notwendig ist, belegt Deutschland eine internationale Spitzenposition. Die Fraunhofer-Gesellschaft forscht und ist weltweit führend in der Entwicklung von Höchstleistungs-Kurzpulslasern und vielen anderen optischen Technologien. Auch die Materialwissenschaften zählen zu den Kompetenzen der deutschen Forschungslandschaft auf diesem Gebiet.

In Anbetracht der jüngsten Erfolge ist es daher essenziell, Forschung und Entwicklung in diesem Technologiebereich weiter zu fokussieren und auszubauen. So können Deutschland und Europa auch langfristig zu einem zentralen Ausrüster auf dem Gebiet der Kernfusion werden.