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Das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS):
- In Deutschland und weltweit wird Kernfusion als mögliche Energiequelle erforscht.
- Das Prinzip der Kernfusion basiert auf der Verschmelzung von zwei Atomkernen.
- Das BfS beobachtet und bewertet die für die Kernfusion relevanten Strahlenschutzaspekte, identifiziert Wissenslücken und initiiert Forschungsprojekte. Das BfS informiert Politik und Öffentlichkeit dazu.
- Das BfS stellt die Expertise bereit, um den bei Entwicklung und Betrieb von Fusionsanlagen nötigen Strahlenschutz zu gewährleisten. Daher begleitet es zum Beispiel eine Fusionsforschungsanlage mit Messungen.
- Bei Unfällen in einem Fusionsreaktor werden deutlich geringere radiologische Auswirkungen erwartet, als bei Unfällen in einem Kernkraftwerk möglich sind.
Was ist Kernfusion?
In der Kernphysik gibt es zwei Möglichkeiten, in größeren Mengen Energie für den Menschen nutzbar zu machen: erstens durch die Spaltung von Atomkernen wie etwa von Uran-235. Das wird in Kernkraftwerken gemacht. Zweitens durch das Prinzip der Kernfusion, also der Verschmelzung von Atomkernen – einem Prinzip, mit dem auch Sterne wie unsere Sonne ihre Energie erzeugen.
Warum entsteht bei Fusion und Spaltung von Atomkernen Energie?
Die Kernfusion wird in Deutschland und weltweit mit verschiedenen Ansätzen erforscht. Dabei spielen auch Strahlung und Radioaktivität und somit der Strahlenschutz eine Rolle. Das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) verfügt hier über vielfältige Kompetenzen, um diese verschiedenen Ansätze im Hinblick auf den Strahlenschutz fachlich zu begleiten.
Auch wenn sich das Grundprinzip ähnelt, unterscheidet sich der Fusionsprozess, der zur Energiegewinnung auf der Erde verfolgt wird, von dem, was in der Sonne passiert:
In der Sonne wird hauptsächlich dadurch Energie freigesetzt, dass aus vier Wasserstoffkernen durch Fusion in mehreren Schritten ein Heliumkern erzeugt wird. Der Prozess der Energiefreisetzung durch die Verschmelzung von vier Wasserstoffkernen läuft über extrem lange Zeiträume ab. Die Energieerzeugung auf der Erde soll aber schnell erfolgen – über die Fusion von Deuterium und Tritium.
Deuterium ist ein nicht radioaktives Isotop des Wasserstoffs mit einem Proton und einem Neutron. Tritium ist dagegen ein radioaktives Isotop des Wasserstoffs mit einem Proton und zwei Neutronen.
Nach derzeitigem Stand sollen in Fusionsreaktoren Deuterium und Tritium zu einem Heliumkern verschmelzen, obwohl sie sich wegen ihrer positiven elektrischen Ladung abstoßen. Dies erreicht man mit zwei unterschiedlichen Konzepten: Entweder schließt man die positiv geladenen Atomkerne durch ein Magnetfeld ein und heizt sie stark auf, oder man beschießt sie mit Lasern. Die erste Methode heißt Magnetfusion, die zweite Trägheits- oder Laserfusion. Bei der Fusion von Deuterium und Tritium wird ein energiereiches Neutron freigesetzt. Der entstandene Heliumkern ist stabil, also nicht radioaktiv.
Die freigesetzten Neutronen sind für die Kernfusion selbst nicht erforderlich, können im Material, aus dem der Fusionsreaktor besteht, jedoch zusätzliche radioaktive Atomkerne erzeugen. So kann beispielsweise in Bauteilen aus Stahl das radioaktive Kobalt-60 entstehen, das beim Zerfall sehr energiereiche Gammastrahlung aussendet. Den Vorgang, durch den nicht-radioaktives Material zum Beispiel durch Beschuss mit Neutronen radioaktiv gemacht wird, nennt man "Aktivierung“.
Die freigesetzten Neutronen können allerdings verwendet werden, um im
laufenden Betrieb eines Fusionsreaktors Tritium zu erzeugen, das dann
wieder für den Fusionsprozess verwendet werden kann. Für diesen
Teilprozess wird in die Auskleidung eines Fusionsreaktors (technisch
"Blanket") Lithium eingebracht. Die bei der Fusion entstehenden
Neutronen bilden dann dort Tritium.
Bei der Kernspaltung wird ein schwerer Atomkern, für die Energiegewinnung meist Uran-235, durch ein Neutron gespalten. Dabei entstehen unter anderem weitere Neutronen, die eine unkontrollierte Kettenreaktion auslösen können. Eine solche unkontrollierte Kettenreaktion ist bei der Kernfusion ausgeschlossen. Zudem werden in der Summe bei der Kernfusion weitaus weniger Radionuklide verwendet oder erzeugt als bei einem Kernkraftwerk. Es entstehen bei der Kernfusion weniger radioaktive Abfälle als bei der Kernspaltung und es würden bei einem Unfall geringere Mengen an Radionukliden freigesetzt werden. Schließlich sind die in einem Fusionsreaktor entstehenden radioaktiven Atomkerne oft kurzlebiger.
Wie unterscheidet sich die Kernfusion von der Kernspaltung?Bei der Kernspaltung wird ein schwerer Atomkern, für die Energiegewinnung meist Uran-235, durch ein Neutron gespalten. Dabei entstehen mindestens zwei leichtere Atomkerne und es werden mehrere Neutronen freigesetzt. Diese Neutronen können weitere Uran-235-Kerne spalten und so eine Kettenreaktion auslösen. Neutronen sind also für die Kernspaltung notwendig. Ihre Zahl muss aber so eingestellt werden, dass eine unkontrollierte Kettenreaktion vermieden wird. Eine unkontrollierte Kettenrektion trat zum Beispiel bei dem Reaktorunfall von Tschornobyl (russ.: Tschernobyl) im Jahr 1986 in der damaligen Sowjetunion auf. Eine solche unkontrollierte Kettenreaktion ist bei der Kernfusion ausgeschlossen. Denn sobald die für die Kernfusion notwendigen extremen Bedingungen, wie etwa die sehr hohen Temperaturen, nicht mehr gegeben sind, zum Beispiel wegen eines technischen Defekts, ist keine Verschmelzung mehr möglich, der Fusionsprozess kommt also von selbst zum Erliegen.
Bei Kernfusion und Kernspaltung gibt es zudem sowohl bei dem für die Energiegewinnung eingesetzten Material als auch bei den radioaktiven Abfällen große Unterschiede. Bei der Kernspaltung kommen Brennstäbe aus angereichertem Uran-235 oder sogenannten Mischoxiden (MOX) zum Einsatz, bei der Kernfusion dagegen Deuterium und Tritium. Dabei ist nur einer der beiden Stoffe radioaktiv, das Tritium.
Bei einem Unfall in einem Fusionsreaktor im Leistungsbetrieb könnten große Mengen des Tritiums freigesetzt werden. So sind etwa bei dem geplanten europäischen Demonstrationskraftwerk DEMO einige Kilogramm dieses Stoffes vorgesehen. Das Fusionsprodukt, der Heliumkern, ist dagegen nicht radioaktiv, das heißt, er ist stabil.
Sowohl bei der Kernspaltung als auch bei der Kernfusion können die bei dem Spaltungs- oder Fusionsprozess entstehenden Neutronen das Material, aus dem der jeweilige Reaktor besteht, aktivieren und dadurch radioaktive Atomkerne erzeugen. Hierdurch können in beiden Fällen radioaktive Abfälle entstehen.
Einblicke in die verschiedenen zur Fusion diskutierten Forschungsansätze geben zum Beispiel das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik sowie die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEA). Letztere veröffentlichte den sogenannten World Fusion Outlook (IAEA World Fusion Outlook 2025).
Welche Rolle spielt Strahlenschutz bei der Kernfusion?
Die Entwicklung und der Bau von Fusionsanlagen zur kommerziellen Elektrizitätserzeugung sind ein großes gesellschaftliches Thema, bei dem es gilt, beträchtliche technologische Herausforderungen zu meistern. Dabei spielen auch Strahlung und Radioaktivität und somit der Strahlenschutz eine Rolle.
Das BfS wirkt zum Beispiel mit beim Erarbeiten von Normen, etwa für den Einsatz von Tritium. Schon heute, im Forschungsstadium, ist das Amt Teil der Emissionsüberwachung. So kontrolliert das BfS an der Fusionsanlage Wendelstein 7-X in Mecklenburg-Vorpommern Proben von Ableitungen in die Luft.
Bei Unfällen in einem Fusionsreaktor werden aus physikalischen Gründen deutlich geringere radiologische Auswirkungen erwartet als bei Unfällen in einem Kernkraftwerk. Daher liegen die maximal möglichen Strahlendosen für die Bevölkerung selbst bei einem schweren Unfall in einem Fusionskraftwerk um mehrere Größenordnungen unter den maximal möglichen Strahlendosen bei einem schweren Unfall in einem Kernkraftwerk.
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