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FORSCHUNG/262: Der gefährliche Weg zu einem fragwürdigen Ziel - Kernfusionsenergie (Gert Blumenthal)

Der gefährliche Weg zu einem fragwürdigen Ziel - Kernfusionsenergie

Von Gert Blumenthal

1. Einleitung

Über die Perspektiven der Kernfusionsenergetik heute zu streiten, ist ziemlich unergiebig, denn es gibt zahlreiche ernstzunehmende Meinungen pro und contra, die man aber zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch kaum zu wichten vermag. Die Thematik ist über alle Maßen komplex und erfordert damit neben der Kenntnis der Systemzusammenhänge auch die Fähigkeit, die vielfachen Wechselwirkungen zwischen den Disziplinen der Wissenschaft sowie die zwischen Wissenschaft, Technik, Politik und Gesellschaft annähernd richtig einschätzen zu können. Derlei Diskussionen sollten darum besser der Zukunftsforschung überlassen bleiben, von der der Autor dieser Zeilen aber nichts versteht und der er auch einigermaßen skeptisch gegenübersteht, weil er die Zukunft als weitgehend offen versteht [1]. Aus diesen Gründen fühlt er sich außerstande, sich zu den Aussichten von Kernfusionskraftwerken zu positionieren.

Aber selbst bei weitgehender thematischer Enthaltsamkeit hält es der Autor doch für notwendig, einige Argumente derer zu untersuchen, die Kernfusionskraftwerke für realisier- und wünschbar darstellen, sowie Lücken aufzufüllen, die sie in ihren Darlegungen bewußt oder unbewußt immer wieder offen lassen.

2. Allgemeine Fragen der Energieversorgung

Durch eine Vielzahl von Publikationen wird die geologisch-physikalisch basierte Erwartung gestützt, daß die Epoche der fossilen Energierohstoffe in diesem Jahrhundert zu Ende gehen wird. Trotzdem gibt es bis zum heutigen Tag heftige, z. T. grundsätzliche Widersprüche gegen diese Feststellung, vor allem von Energiekonzernen wie auch von den meisten der OPEC-Staaten. Die komplizierten Interessenlagen hinsichtlich der Zukunft des Öls sowie die vielfältigen Methoden der Manipulierung entsprechender Berichte und Prognosen wurden von Campbell et al. dargestellt [2]. Zuweilen wird die Tatsache des "peak oil", des Zeitraums der globalen maximalen Ölfördermenge pro Jahr [3], [4], von bestimmten Interessengruppen noch immer als Hypothese diskriminiert. Es verwundert nicht, daß derartig kontroverse Aussagen die Öffentlichkeit verwirren, was die notwendigen Maßnahmen zur Anpassung schon in der Gegenwart sowie für die Zeit nach dem Ende der Ölförderung mehr oder weniger verzögert.

Häufig wird dargelegt, daß der Nutzungszeitraum für fossile C-stämmige Rohstoffe primär dadurch beschränkt sei, daß die Ressourcen auslaufen. Durch eine derartige Argumentation jedoch werden die Gefahren einer anderen Grenze unterschätzt, nämlich die Sättigung der CO₂-Senken (aufwachsende Biomasse, Ozeane), was die atmosphärische CO₂-Konzentration und damit die Klimaerwärmung weiter ansteigen läßt und schon gegenwärtig katastrophale Folgen zeitigt. Die anthropogenen CO₂-Emissionen müssen also drastisch vermindert werden, und zwar ab sofort, anstatt darauf zu warten, bis Kernfusionskraftwerke weltweit diesbezüglich wirksam werden - womit, wenn überhaupt, kaum mehr in diesem Jahrhundert zu rechnen ist.

Die Frist, in der der zunehmende Mangel an fossilen Energierohstoffen sich einschränkend auf die Weltwirtschaft auswirken wird, ist nicht bestimmt durch den "Zeitpunkt" der Ressourcenerschöpfung (ein solcher ist praktisch nicht festzulegen!), sondern durch den "peak oil". Mit Beginn des peak oil wird sich eine Schere öffnen zwischen dem weiter steigenden Energie-Weltjahresverbrauch und der abnehmenden Öl-Weltjahresförderung.

In diesem Zusammenhang wird zuweilen das Schlagwort "Wasserstoffwirtschaft" eingeführt und diese als Alternative zu der Energieversorgung auf Basis Öl, Gas und Kohle gepriesen. Es ist aber irreführend, den Sekundärenergieträger Wasserstoff als Alternative zu den Primärenergieträgern Öl, Gas und Kohle zu beschreiben. Entscheidend ist, und das ist das Charakteristikum eines Sekundärenergieträgers, aus welchen Primärenergieträgern der Wasserstoff gewonnen wird. Zukunftsfähig ist nur der ökoenergetisch, also bevorzugt mittels Solar- oder Windenergie, nicht aber der mit Hilfe der Fossil- oder Atomenergie erzeugte Wasserstoff. Trotz des scheinbar konsistenten Bildes von der "H₂-Revolution" [5] bleibt es fragwürdig, den künftigen Energieverbrauch auf der Grundlage nur des einen Energieträgers Wasserstoff zu prognostizieren. Die suggerierte Einbahnstraße der Wasserstoffwirtschaft läßt den direkten Elektronentransport mittels Fernleitungen (einschließlich der Hochspannungsgleichstromübertragung, HGÜ) außer Betracht - was angesichts der schon länger laufenden Diskussion dieser eventuellen Lösungsmöglichkeit (vorläufige Zusammenfassung [6]) befremdet und geeignet ist, dem Leser eine komplexreduzierte Sicht aufzudrängen.

Auch der flächendeckende Einsatz mobiler Brennstoffzellen ist so problemlos nicht. Erhebliche Schwierigkeiten sind zu erwarten bei der langfristig erforderlichen Massenverfügbarkeit von Platin wie auch bei der Herstellung kostengünstiger Membranen hoher Standzeiten (wie sie z. B. für die Direct Methanol Fuel Cell, DMFC, unabdingbar sind). Dem entspricht, daß für das Elektroauto neben der Brennstoffzelle zunehmend Hochleistungsbatterien in der Diskussion sind [7].

Manche Atomenergiebefürworter lassen die kaum überschätzbaren Möglichkeiten der Energieeffizienzerhöhung in Industrie, Verkehr und im Haushalt [8] außerhalb ihrer Betrachtung. Demgegenüber scheint sich immer deutlicher zu erweisen, daß die allseitige (energetische und stoffliche) Effizienzerhöhung die kostengünstigste Strategie ist, um CO₂-Emissionen zu mindern. Welch riesiges Potential allein in der Nutzung der allgemeinen Abwärme steckt (z. B. mittels Kraft-Wärme-Kopplung oder thermoelektrischer Generatoren, TEG), wird daran deutlich, daß in den USA gegenwärtig 65% der eingesetzten Primärenergie als Abwärme verlorengehen [9], was in Europa nicht viel anders sein dürfte.

Daß der individuelle Konsum in den Industrieländern reduziert werden kann, mag auf den ersten Blick schwer vorstellbar sein, aber daß die Energieeffizienz sich allgemein fortlaufend erhöht, ist nach allen Erfahrungen des letzten Jahrhunderts zu erwarten, denn in diesem Zeitraum trat in Deutschland eine Entkopplung des Wachstums von Bruttoinlandsprodukt und Primärenergieverbrauch ein. Zudem läßt sich auch der individuelle Umgang mit Energie und anderen sich verknappenden Gütern durchaus mit staatlichen Fördermaßnahmen im notwendigen Sinne beeinflussen. Das belegen der Photovoltaik-Boom infolge des EEG, Wassereinsparungen durch Installierung von Wasseruhren, Energieeinsparungen durch effizientere Haushaltsgeräte, Beleuchtungsmittel u. a. m.

In manchen Texten ist zu lesen, daß der große Energiebedarf der Zukunft nur durch den Einsatz hochwirksamer Verfahren mit konzentrierter steuerbarer Energieerzeugung gedeckt werden könne. Diese Meinung richtet sich gegen das Konzept der Dezentralität kleiner Wandlereinheiten (Windturbinen, Photovoltaikanlagen, Blockheizkraftwerke, Brennstoffzellen, Wärmepumpen u. a.) und hängt damit der überholten Auffassung von der Unentbehrlichkeit der hochzentralisierten Energieversorgung an. "...Mehr Energieangebot und immer größere Kraftwerke waren der Stolz ganzer Technikergenerationen. Der Gedanke, daß weniger mehr und profitabel sein kann, beginnt sich erst langsam durchzusetzen..." [10].

Aktuelle Erwägungen zu dem konträren Verhältnis Kernfusionstechnologie - Ökozeitalter lassen sich bei Spänkuch [11] nachlesen.

3. Kernfusionskraftwerke und Gesellschaft

Es ist zu befürchten, daß die Kernfusionstechnologie den gesellschaftlichen Fortschritt behindert: "Wenn es ein Aufwärts gibt in der Emanzipation der Menschheit, dann ist die Macht der Monopole zu beseitigen, vorrangig solcher, die Existentielles monopolisieren - Energie, Rohstoffe, Boden und Trinkwasser. Das würde Wege voll öffnen, die bei systemischer Vernetzung zu weitgehender Dezentralisierung und Regionalisierung führen. Kernfission und, noch ausgeprägter, Kernfusion sind aber der Gipfel der wirtschaftlichen und damit politischen Konzentration und Machtausübung" [12]. Prägnanter formuliert: Kernfusionskraftwerke sind Energie- und Machtzentralen äußerster Komplexität.

Auf Grund der mit Atomkraftwerken gesammelten Erfahrungen ist außerdem zu bezweifeln, daß die Kernfusionstechnologie geeignet ist, die bestehenden Nord-Süd-Disparitäten zu mildern. Sie ist, falls sie überhaupt jemals realisiert werden sollte, eine Technologie der industrialisierten Länder. Sie werden Kernfusionskraftwerke nur dort installieren, wo Profit garantiert ist - und damit ihre globale Macht weiter festigen. Man darf nicht vergessen: Jeder Fusionsreaktor hängt davon ab, daß Technologien zur Produktion von hochreinem Lithium, hochreinem Deuterium sowie von Sonderwerkstoffen (für Blankets, Divertoren, das Supraleitungssystem u. a.) verfügbar sind - alles Hochtechnologien, die in den Händen der industriell höchstentwickelten Länder liegen.

Zuweilen wird erwartet, daß das Konsumniveau der Schwellen- und Entwicklungsländer sich dem heutigen der Industrieländer angleichen würde und der daraus resultierende steigende Energieverbrauch eben nur mit Hilfe der Kernfusion befriedigt werden könne. Aus Bilanzgründen jedoch ist es unmöglich, das Konsumniveau der Entwicklungsländer auf das gegenwärtige der Industrieländer zu heben, denn die Aufnahmefähigkeit der Umwelt für Schadstoffe nimmt rapide ab (Sättigung der Senken, wie sie gegenwärtig in der öffentlichen Diskussion fast ausschließlich auf CO₂ fokussiert wird), und die Ressourcen, zunächst Öl, Gas, Uran, Kohle und Wasser, danach bestimmte mineralische Rohstoffe, wie Phosphate und Platinmetallerze, nähern sich der Erschöpfung. Eine derartige Angleichung würde fünf Planeten Erde erfordern.

In manchen atomenergiefreundlichen Publikationen fällt auf, wie unbeirrt deren Verfasser Erwägungen über politische, gesellschaftliche und soziale Vernetzungen und Konsequenzen einer installierten Fusionstechnologie umgehen. Diese Haltung läuft allerdings Gefahr, die Komplexität des Themas nicht in dem zu fordernden Maße deutlich werden zu lassen. Man kann heute schon nicht mehr über Energieversorgung schreiben, ohne auch die nichttechnischen Implikationen zu bedenken. Enthält man sich dessen, verfehlt man das Ziel, die Aussichten der Kernfusionstechnologie wissenschaftlich abzuschätzen..

Zusammenstellungen von Grundproblemen auf dem eventuellen Weg zu einem Fusionskraftwerk geben Bradshaw [13] und Heinloth [14].

4. Der Realisierungszeitraum

Manche atomkraftfreundliche Naturwissenschaftler erliegen bezüglich des Realisierungszeitraums eines Fusionskraftwerkes ihren eigenen optimistischen Wunschvorstellungen. Soweit diese allein bei der Person verbleiben, sollte man sie dabei nicht stören. Wenn sie jedoch ihre entsprechenden Ansichten in Form eines seriös wirkenden Artikels veröffentlicht, können dadurch hinsichtlich der möglichen Bedeutung der Kernfusion für die Energieversorgung beim Leser grundlose Hoffnungen genährt werden.

Die "Kernfusionskonstante" [15] zeigte im Verlaufe der vergangenen sechzig Jahre die Tendenz zum Wachstum. Der Fertigstellungstermin eines Kernfusionskraftwerkes hat sich bisher als ein "moving target" erwiesen. Betrug der geschätzte Zeitraum bis Betriebsbeginn anfänglich 10-20 Jahre, liegt er heute bei 40-50 Jahren. Selbst gegenüber der Atomenergietechnik wohlwollende Autoren heben die Unsicherheit des Realisierungszeitraums hervor: "Eine kritische Frage betrifft den Zeithorizont für die Entwicklung eines Fusionkraftwerkes. In der Vergangenheit gab es wiederholt diesbezügliche Prognosen, die sich als grobe Fehleinschätzungen herausstellten" [16]. Oder: "Fusionsreaktoren: Ohne Demonstrationsanlage (ITER) ist noch keine seriöse Prognose über Einsatzstrategien möglich" [17].

Bei nahezu allen Entwicklungen moderner Großtechnik wurde der Einfluß der zunehmenden Komplexität auf die Realisierung und den Betrieb unterschätzt. Das mußte kürzlich erst selbst für eine scheinbar so übersichtliche Aufgabe wie die Endlagersuche am Fall Asse II durch den zuständigen Minister festgestellt werden. In wesentlich höherem Maße gilt das für die Fusionstechnologie. Die Komplexität atomenergietechnischer Anlagen hat vom Leichtwasserreaktor über den Typ "Schneller Brüter" bis zum prognostizierten Modell Fusionsreaktor durchweg zugenommen. So oder ähnlich sehen das selbst Befürworter der Fusionstechnologie: "Die weltweiten Forschungen zur gesteuerten Kernfusion sind eines der komplexesten und schwierigsten wissenschaftlichen und technischen Unternehmen, das die Menschheit für ausschließlich friedliche Zwecke in Angriff genommen hat. Der Ausgang ist noch ungewiß" [18].

An anderer Stelle wird die Wechselwirkung zwischen Komplexität und Wirtschaftlichkeit hervorgehoben: "Dieser extreme Grad an Komplexität schlägt sich in extremen Kosten für den ITER nieder. Warum sollte das nicht auch für Fusionskraftwerke, wenn es sie denn geben sollte, zutreffen? Das hundertjährige Forschungsprogramm zeigt an, daß es sich um die komplexeste Technologie handelt, die je in Angriff genommen wurde" [19].

Neuerdings erst wurden Kostenerhöhungen infolge technisch begründeter Umplanungen am ITER vermeldet [20]. Norbert Holtkamp, der Principal Deputy Director-General, ITER Organization, stellte auf dem 25. Symposium zur Fusionstechnologie in Rostock (15.-19.09.2008) fest, daß die 5,5 Mrd. Euro für ITER (45% von der EU) in Cadarache um mindestens 10%, möglicherweise sogar um 100% steigen könnten [21]. Ob die Partner des ITER-Projekts (China, EU, Indien, Japan, Rußland, Südkorea, USA) in gleicher Weise bereit und in der Lage sind, die erforderliche Beitragserhöhung zu leisten, und das auch noch unter den Zwängen der Weltwirtschaftskrise, bleibt abzuwarten. Es ist anzunehmen, daß durch die Planänderungen auch Planungszeiträume gedehnt werden, so daß der Zieltermin Ende 2018 für die erste Plasmazündung [22] in Frage gestellt sein könnte, was neuerdings jedoch verneint wurde [23]. "Wegen der Komplexität der wissenschaftlichen und technischen Problemstellung ist davon auszugehen, daß Kernfusion in den Zeiträumen bis ca. 2050 keinen Beitrag zur Minderung der Treibhausgasemissionen leisten wird" [24]. Und selbstverständlich ist doch, daß für die Zeit danach ein einzelner Reaktor (und mehr könnte 2050 nicht zur Verfügung stehen) nicht nennenswert zur erforderlichen CO₂-Emissionsminderung beizutragen vermag.

Der Zeitablauf bis zur Inbetriebnahme eines Fusionskraftwerks wird folgendermaßen geschätzt: Inbetriebnahme ITER 2016. Laufzeit bis 2037. Parallel dazu Entwicklungsarbeiten für den Demonstrationsreaktor DEMO. Betrieb des DEMO bis 2055, im Erfolgsfall dann Beginn des Baus eines kommerziellen Fusionskraftwerks mit einem geschätzten Zeitaufwand von zwanzig Jahren. Optimistische Prognose also: Inbetriebnahme des ersten kommerziellen Fusionskraftwerks im Jahre 2075 [25].

Damit ist aber das Fusionskraftwerk vermutlich erst lange nach "peak oil" zu erwarten und sowohl für die Deckung der von einigen befürchteten Energielücke als auch für die Minderung der CO₂-Emissionen uninteressant. Außerdem reichen die an einem einzelnen Kraftwerk gewonnenen Erfahrungen nicht aus als Beweis, daß Kernfusionskraftwerke die Energieversorgung der Menschheit übernehmen könnten.

5. Eigenschaften von Kernfusionskraftwerken

5.1 Fusionskraftwerke - Atomkraftwerke

Die Vision vom Kernfusionskraftwerk ist für manche ein Argument zur Legitimierung der Fissionskraftwerke als "Übergang", als "Brücke". Im Falle der Atomkraftwerke jedoch und deren Proliferation als Übergang zur Kernfusion wird der Gesellschaft eine "Brücke" ins Nirgendwo angepriesen.

Der neueste Statusreport über die Atomindustrie der Welt [26] ist geeignet, selbst bei Atomkraftbefürwortern Zweifel an der globalen Realisierbarkeit ihrer Ideen über eine atomare "Brücke" aufkommen zu lassen. Das Gewicht dieses Reports charakterisiert Amory B. Lovins, Koautor von "Faktor vier", mit den Worten: "This authoritative analysis of the nuclear industry's sobering realities is a salutary antidote to irrational exuberance" (Prolog in [24]).

Die meisten Atomenergieanhänger sind einem starken inneren Konflikt ausgesetzt: Sie befürworten Atomkraftwerke - sprechen sich jedoch gegen Atomwaffen aus. »Der Bau von Atomwaffen war stets der Motor für die primäre Entwicklung jeglicher Atomtechnik. Belege hierfür sind Indien, Pakistan, Israel sowie die Ängste vor den potentiellen Atommächten Nordkorea und Iran. Die diesbezüglichen Entwicklungen in diesen Ländern bezeugen die Wirkungslosigkeit internationaler Kontrolle. Es hat sich erwiesen: Die zivile Nutzung der Atomenergie schafft stets eine Infrastruktur, die die Produktion von Atomwaffen und deren Verbreitung in hohem Maße begünstigt. Die sogenannte "friedliche Nutzung" ist eine Illusion und selbst bei Atomenergiebefürwortern ehrlichen Herzens nicht mehr als ein hartnäckiger Wunschtraum. Die Unterscheidung zwischen ziviler und militärischer Nutzung der Atomenergie ist nicht länger haltbar: "... "zivile Atomkraft" ist ein Mythos. Die Nutzung von Atomenergie zur Energieproduktion war immer und überall ein Trojanisches Pferd für die nukleare Rüstungsindustrie." [27]. Man darf zudem nicht übersehen, daß auch die heimtückische DU-Munition (DU = depleted uranium) größtenteils aus der "zivilen" Atomenergietechnik stammt.« [28]

In den letzten sechzig Jahren wurde weltweit (zu einem großen Teil in "zivilen" Atomkraftwerken) waffenfähiges Nuklearmaterial produziert [29], dessen gegenwärtige Menge auf 3700 t geschätzt wird. Darunter befinden sich etwa 2000 t Plutonium, dessen Menge mit einer Rate von ca. 70 t Pu/a weiter anwächst.

Wie innig verflochten militärische und zivile Nutzung der Atomenergie in ihrer gesamten Geschichte waren, hat E. Sieker dargestellt [30].

Fusionsreaktoren können als Rohstofflieferanten (Brüter) für Fissionskraftwerke dienen: "Rein rechnerisch könnte ein Fusionsreaktor Spaltreaktoren vergleichbarer Leistung mit Brennstoff versorgen" [31]. Anhänger der Fusionstechnologie hören derartige Aussagen verständlicherweise nicht gern, und darum erreichen diese kaum die Öffentlichkeit, denn bei einem solchen Einsatzziel könnte der Fusionsreaktor leicht als Hauptinstrument für die Atomwaffenproduktion erkannt werden.

Zu bedenken ist ferner, daß der Fusionsreaktor einen immensen Wasserbedarf aufweist (und das bei global sinkenden Brauchwasserressourcen!) und daß sein Wirkungsgrad durch den des angeflanschten "Dampfkraftwerks" begrenzt ist.

Militaristische und geopolitische Interessen waren die Initiatoren der sogenannten "zivilen Nutzung" der Atomenergie und melden nun wieder ihre Ansprüche an auch auf die militärischen Potentiale dieser Technologie. In einem Strategiepapier einer EU-Kommission wird festgestellt, Trägheitsfusion (Fusion mit Laserbeschuß) "is linked to defense programmes rather than to energy research programmes" [32]. Oder: "Die Laserfusion ist ein Paradebeispiel für die Janusköpfigkeit, mit der sich physikalische Forschung darbieten kann. Die Brennstoffkügelchen sind zugleich Energiepillen für den Fusionsreaktor und ,Minibomben' für den Laborversuch" [33].

Wie nach all den genannten desillusionierenden Erfahrungen die Atomenergietechnik als "Brücke" zur Kernfusion verharmlost [34] und die Logik der Verflechtung von militärischer und ziviler Nutzung der Atomenergie in Frage gestellt werden kann [35], ist kaum mehr zu begreifen.

Wer tatsächlich eine wirksame Abrüstung will, muß fordern: Abschaffung aller Atomwaffen sowie aller Anlagen, die zur Herstellung von Atomwaffen dienen können.

5.2 Die Steuerbarkeit des Fusionsreaktors

Es hat sich eingebürgert, die im Reaktor ablaufende Kernfusionsreaktion als "gesteuert" oder "kontrolliert" zu unterscheiden von der in der Kernfusionsbombe ("Wasserstoffbombe") ungesteuert (explosionsartig) verlaufenden Reaktion. Das darf aber nicht so mißverstanden werden, daß die Leistung eines Kernfusionskraftwerks dem unmittelbaren Bedarf entsprechend "steuerbar" sei. Die gesteuerte Kernfusion ist in diesem Sinne nicht steuerbar. Kernfusionskraftwerke sind auf Grund ihrer energetischen Größe ausgesprochen träge. Sie fungieren als Grundlastkraftwerke, die stets mit gleicher Belastung gefahren werden.

"Eine Form der künstlichen Kernfusion ist die unkontrollierte Kernfusion in der Wasserstoffbombe. Angestrebt wird die kontrollierte (gesteuerte) Kernfusion in Fusionsreaktoren..." [36].

Der Terminus "gesteuert" in Verbindung mit der zur Nutzenergieerzeugung betriebenen Kernfusion sollte gestrichen werden, da er zu Verwechslungen führen kann.

5.3 Risiken des Fusionsreaktors

Ein Kernfusionsreaktor birgt nicht die Gefahrenquellen, die von einem Fissionsreaktor bekannt sind, aber eben andere deuten sich an, die ebenfalls sicher beherrscht werden müssen. Davon werden schon heute die folgenden Probleme diskutiert:

Die Tiefkühlung
Ein unterbrechungsfreier Betrieb der Tiefkühlung für die supraleitenden Spulen ist zu garantieren. Eine plötzliche Überschreitung der Sprungtemperatur würde nahezu schlagartig eine Energie freisetzen, die etwa der Explosion von 6 t TNT entspräche [37].

Tritiumemissionen
Als eines der ernstesten Risiken der Kernfusionstechnologie ist die noch weitgehend unterschätzte strahlenbiologische Wirkung von Tritiumemissionen anzusehen, deren zuverlässige Rückhaltung unter den Bedingungen der Großtechnik schwierig sein dürfte.

Eigenschaften von Tritium

Tritium wird auf natürliche Weise in den obersten Atmosphärenschichten durch Einwirkung schneller Neutronen auf Stickstoffatome gebildet.

Tritium ist radioaktiv und zerfällt unter ß-Strahlung mit einer Halbwertszeit von 12,26 Jahren (Abklingdauer ≈ 122 Jahre) in Helium-3 ³He, ein nichtradioaktives Heliumisotop. Ein Teil dieses Tritiums gelangt mit dem Regen in die oberflächennahe Atmosphäre, in der sich eine Gleichgewichtskonzentration eingestellt hat.

Technisch entsteht zusätzliches Tritium in Atomkraftwerken, ist dort im Abbrand an das Zirconium der Brennstoffhüllen gebunden, im Abwasser enthalten (überwiegend als HTO) und wird an die Atmosphäre abgegeben [38]. Verständlich, daß in der Umgebung von Atomkraftwerken erhöhte Tritiumkonzentrationen gemessen werden. In Kanada z. B. wurden bis zu einem Radius von 40 km um ein Atomkraftwerk stabil-erhöhte Tritiumgehalte gemessen [39].

Tritium liegt in der Natur überwiegend in Form von tritiiertem Wasser, HTO, vor, daneben in Biomolekülen (durch Substitution von H-Atomen) und, in Spurenmengen, als gasförmiges HT und T₂. Tritiierte Biomoleküle entstehen auch in der Photosynthese aus CO₂ und HTO.

Tritium im Organismus

In den menschlichen Organismus gelangt Tritium durch Ingestion (Nahrungsmittelaufnahme), Inhalation und Hautpermeation hauptsächlich als HTO, aber auch in Form tritiierter Biomoleküle. Ein bis zwei Stunden nach der Inkorporierung hat sich Tritium über alle Körperflüssigkeiten gleichmäßig verteilt.

Die biologische Halbwertszeit T_b des Tritiums (das ist die Dauer, nach der von einer einmalig inkorporierten Tritiummenge die Hälfte wieder ausgeschieden ist) beträgt beim Menschen 10 Tage (man findet auch die Angabe 19 Tage [40]), bei großen Säugern 1 Monat bis 1 Jahr. Als Parameter für die Bestrahlungsdauer des Organismus wird die "effektive Halbwertszeit" T_eff verwendet. Bezeichnet T_ph die physikalische Halbwertszeit des Tritiums, so gilt:

Für die Expositionsdauer des Organismus gilt demnach: Bei Nukliden großer physikalischer Halbwertszeit ist die effektive Halbwertszeit ungefähr gleich der biologischen Halbwertszeit; bei kleiner physikalischer Halbwertszeit ist diese bestimmend. Für Tritium gilt: T_eff = 18,9 d (mit T_b = 19 d).

Bei dem Umgang mit dem Begriff "Halbwertszeit" ist jedoch folgendes zu bedenken: Üblicherweise wird die strahlenbiologische Bedeutung eines Radionuklids durch dessen Halbwertszeit gekennzeichnet, was zuweilen zu dem Schluß führte, daß Nuklide mit kleinen Halbwertszeiten relativ ungefährlich seien (wenn nicht gerade bei ihrem Zerfall Nuklide mit längeren Halbwertszeiten entstehen). Aber: Die Halbwertszeit ist von bestimmender Bedeutung nur bei einer einmaligen, stoßartigen Exposition. Danach klingt die Aktivität des Nuklids ab, bis nach zehn Halbwertszeiten 99% davon zerfallen sind. Erfolgt dagegen die Exposition rhythmisch in kurzen Abständen (wie bei Bergleuten in Uranminen oder Beschäftigten in Atomenergieanlagen) oder gar kontinuierlich (wie in Häusern mit Radonzustrom aus dem Boden), ist die Halbwertszeit des belastenden Nuklids nicht mehr so entscheidend, denn es baut sich dann ein bestimmtes Gleichgewichtsniveau der Strahlenaktivität im Organismus auf, die bei längerer Exposition mit hoher Wahrscheinlichkeit Gesundheitsschäden bewirkt.

An größere Biomoleküle (z. B. DNA) gebundenes Tritium ist langfristiger im Körper fixiert als das in HTO. Bei Langzeit-Expositionen kann sich organisch gebundenes Tritium im Körper anreichern [41].

Die Sonderstellung des Tritiums

Tritium nimmt unter den Radionukliden eine Sonderstellung ein. Die komplexe Verflechtung seiner physikalischen, kernphysikalischen und chemischen Eigenschaften bewirkt, daß Tritium in einer unikalen Weise auf Biomoleküle einwirkt. Es gibt kein zweites Radionuklid, das in derart vielfältiger Weise mit Wasserstoffverbindungen reagiert. Tritium kann biologische Systeme in mindestens dreifacher Weise angreifen:

• Der Isotopieeffekt

Gebundene H-Atome in Kontakt mit Tritium unterliegen einem schnellen Isotopenaustausch [42] (Tritiierung). Das betrifft H-Atome von Wassermolekülen (die dabei in HTO übergehen), aber auch von größeren Biomolekülen (z. B. DNA oder Proteine). Dadurch wird die Reaktionskinetik des tritiierten (schwereren) Moleküls verändert ("Isotopieeffekt"), was in biochemischen Reaktionszyklen zu Störungen führen kann.

Isotopieeffekte sind bei Tritium am stärksten ausgeprägt, denn es gibt kein anderes chemisches Element, bei dem der Quotient aus den Massenzahlen des schwersten und des leichtesten Isotops so groß ist wie bei dem Element Wasserstoff: m_T/m_H = 3.

• Die Tritium/Helium-Umwandlung

Ein für Tritium spezifischer Strukturdefekt tritt ein, wenn ein gebundenes Tritiumatom infolge einer Kernumwandlung in ³He (nichtradioaktiv) übergeht. Dieses als chemisch inaktives Edelgasatom verläßt das System unter Mitnahme eines Bindungselektrons der ursprünglichen (-O-T)- bzw. (-C-T)-Bindung, so daß eine radikalische Spezies hinterbleibt (ein Molekül mit einem einsamen Elektron):

Beispiel 1: H–O–T → H–O٠ + ³He

Beispiel 2: ≡C–T → ≡C٠ + ³He

Die weiteren Umsetzungen dieser sehr reaktionsfähigen Spezies können zu anderen Radikalen, zu Makroradikalen, zu Wasserstoffperoxid und anderen Oxidationsprodukten sowie zur Bildung von Doppelbindungen führen.

• Die Strahlenwirkung

Die ß-Strahlung des Tritiums kann an Atomen Anregungen von Elektronen bis zu Ionisierungen und darüber hinaus Radiolysen (Bindungsbrüche, z. B. DNA-Strangbrüche) bewirken. Hierbei entstehen u. a. hochreaktive Radikale, z. B. H·-, Hydroxid- und Hyperoxidanion-Radikale, HO· und O₂·^-, sowie weitere Reaktanden (z. B. Wasserstoffperoxid), die zerstörerisch auf Biomoleküle (Purinbasen, Ribose, Enzyme) und Membranen sowie auch genotoxisch wirken [43].

Sowohl die ß-Strahlung als auch die Radikalbildung infolge des Austritts von ³He-Atomen haben carcinogenes Potential. Behandlung von Mäusen mit Tritium löste bei diesen Krebs aus [44].

Zu berücksichtigen ist weiterhin, daß atmosphärischer Sauerstoff unter Wirkung der ß-Strahlung des Tritiums zu Ozon O₃ reagiert.

Diese Mechanismen legen zumindest zwei Folgerungen nahe:

• Die biologische Wirkung von Tritium beschränkt sich nicht auf strahlenbiologische Effekte und ist demzufolge wahrscheinlich (nicht nur für den Menschen) schädlicher als bisher eingeschätzt. Schon vor diesen Betrachtungen des Autors konstatierten Strahlenbiologen, daß in den bisherigen offiziellen Modellen die durch Tritium bedingten Risiken unterschätzt werden [45], [46].

• Die bisherigen Schlußfolgerungen aus der Personendosimetrie des Tritiums sind zu hinterfragen [47].

Gemäß dem Prinzip der ökologischen Vorsorge dürfen diese mit der Kernfusionstechnologie verbundenen Risiken des Tritiums in diesbezüglichen Texten keinesfalls unterschlagen werden. Schon ein knapper Hinweis auf die mit Fusionsreaktoren verbundene Generierung und potentielle Gefährlichkeit von Tritium (wie etwa bei Lingertat [48]) könnte die Aufmerksamkeit der interessierten Öffentlichkeit darauf lenken, daß hier für Organismen wahrscheinlich ein essentielles Problem zu erwarten ist.

6. Schlußbetrachtung

Die Fragen der zukünftigen Energieversorgung sind auf Grund der zahlreichen Einflußgrößen, ihrer vielfältigen Wechselwirkungen sowie unterschiedlicher Interessen schwer durchschaubar geworden. Daraus ergibt sich aber eine besondere Verantwortung der Wissenschaftler, die Zusammenhänge durchschaubar zu machen - also aufzuklären. Bei allen Schwierigkeiten derartiger prognostischer Betrachtungen sind doch dabei einige "Leitplanken" zu beachten:

• Die vermeintlichen Vor- und Nachteile des fraglichen Energiesystems sind umfassend darzustellen und die anzunehmende Entwicklung der einzelnen Komponenten differenzierend zu wichten.

• Die vielfältigen Verflechtungen, wie sie für ein komplexes Energieversorgungssystem wesenseigen und bestimmend sind, sind sorgfältig zu beachten.

• Die aktuellen und absehbaren Eigenschaften konkurrierender Energieversorgungssysteme müssen sachlich richtig beschrieben werden.

Ein interessantes wissenschaftspsychologisches Phänomen, "...eine erstaunliche kognitive Dissonanz..." [49], ist in der Haltung mancher Naturwissenschaftler zur Kernfusion zu beobachten: Sie räumen zwar ein, daß es bis zur Realisierung des Kernfusionreaktors noch viele schwierige Probleme zu lösen gilt, sind aber optimistisch, daß das, auch in der erforderlichen Frist, infolge der zu erwartenden Fortschritte in Wissenschaft und Technik gelingen wird. Diese Zuversicht ist bemerkenswert, hat doch bis zum heutigen Tag noch nicht ein einziger Fusionsreaktor im Dauerbetrieb Strom geliefert. Im Gegensatz dazu rechnen diese Wissenschaftler kaum mit grundlegenden Fortschritten der Forschung für die Ökoenergien, obwohl auf diesem Gebiet schon seit Jahren beträchtliche und schnell wachsende Kapazitäten am Netz und die Zielstellungen für Weiterentwicklungen ziemlich klar umrissen sind, unbeschadet der auch hier zu erwartenden unvorhersehbaren prinzipiell neuen Lösungen. Hinzu kommt, daß, im Vergleich mit einem Kernfusionskraftwerk, alle Ökoenergie- Wandlersysteme relativ transparent aufgebaut sind, einer zum großen Teil schon traditionell beherrschten Technik gehorchen und zuverlässig, auf jeden Fall katastrophenfrei, funktionieren.

Die nur schwer zu überwindende Macht der "stillschweigenden Infrastruktur" (David Bohm) fesselt viele Naturwissenschaftler an die überkommene Anschauung von der zentralisierten Energieversorgung. All ihre "neuen" Ideen gehen von dieser überholten Vorstellung aus. Ein ganz anders strukturiertes, etwa dezentralisiertes, System liegt außerhalb ihrer Denkmuster. Dabei hat doch die Welt aus der Entwicklung der Informationstechnologie bis hin zum "World Wide Web" längst gelernt, welche prinzipiellen Vorzüge und Potentiale die Dezentralisierung zu realisieren gestattet. Mit der Dezentralisierung wird die Energieversorgung demokratisch (weil nicht monopolisiert) und damit zugleich die Ökotechnik gefördert, die schließlich weltweit, auch in Entwicklungsländern, einsetzbar und militärisch kaum zu mißbrauchen ist.

In Atomenergie-Apologien werden meist Probleme, Schwierigkeiten und Unwägbarkeiten auf dem Weg zur eventuellen Realisierung von Fusionskraftwerken wie auch bei deren Betrieb kaum benannt, zumindest aber herabgespielt. Andererseits bleibt die schon heute sich abzeichnende Vielfalt möglicher Wege zu einer künftigen nachhaltigen Energieversorgung auf der Basis der Ökoenergien unberücksichtigt.

Der durchgängige Optimismus hinsichtlich der Kernfusionstechnologie ist auffallend. Er entstammt der Technikgläubigkeit der fünfziger Jahre des letzten Jahrhunderts und ähnelt den entsprechenden Auffassungen von John D. Bernal (vor 1958), der es seinerzeit jedoch noch nicht besser wissen konnte. Bei all seiner Begeisterung für die Atomenergie wahrte er jedoch auch in diesem Kontext seine wissenschaftliche Kritikfähigkeit [50] - eine ethische Haltung, die manchem verantwortlichen Wissenschaftler und Techniker zu wünschen wäre.

Literatur

[1] Anders verhält es sich mit Disputen über Fissionskraftwerke (Atomkraftwerke), weil mit dieser Technik seit sechzig Jahren Erfahrungen im praktischen Betrieb gesammelt werden konnten. Die Namen Windscale, Sellafield, Harrisburg, Tschernobyl, Kalkar, Superphenix, Krümmel u. v. a. sind heute selbst vielen Nichtwissenschaftlern wohlvertraut.
[2] Colin J. Campbell, Frauke Liesenborghs, Jörg Schindler und Werner Zittel, "Ölwechsel! - Das Ende des Erdölzeitalters und die Weichenstellung für die Zukunft", Deutscher Taschenbuch Verlag München 2003, S. 178-185
[3] Colin J. Campbell, l. c., S. 73 ff und 184/185
[4] Gert Blumenthal, Rezension zu Colin J. Campbell et al., l. c., Satzungsberichte der Leibniz-Sozietät, Bd. 68 (2004), 145-151
[5] Jeremy Rifkin, "Die H₂-Revolution", Campus Verlag Frankfurt/New York 2002, 304 Seiten
[6] Ulf Bossel, "Wasserstoff- oder Elektronenwirtschaft?", Solarzeitalter 1/2006, 65-68
[7] August Raggam und Klaus Faißner, "Zukunft ohne Öl - Lösungen für Verkehr, Wärme und Strom", Leopold Stocker Verlag, Graz - Stuttgart 2008, 135 Seiten
[8] Ernst Ulrich von Weizsäcker, Amory B. Lovins und L. Hunter Lovins, "Faktor vier", Droemersche Verlagsanstalt Th. Knaur Nachf., München 1997, 352 Seiten
[9] Sabine Schlecht, "Thermoelektrische Energiewandlung: Energierecycling für Kraftfahrzeuge und Körperwärme", Vortrag in der Reihe "Erneuerbare Energien - Wissenschaft, Vermittlung, Verantwortung", Freie Universität Berlin, Institut für Chemie und Biochemie, 29.10.2008, http://idw-online.de/pages/de/news?print=1&id=280410
[10] Peter Hennicke, "Der Bau von Einsparkraftwerken mit Least-Cost Planning", Spektrum der Wissenschaft, Dossier 5: Klima und Energie, 1996, S. 115
[11] Dietrich Spänkuch, "Bemerkungen zu Lothar Kolditz 'Energiebedarf und das Ende der Ölzeit'", http://www2.rz.hu-berlin.de/leibniz-sozietaet, November 2008
[12] Gert Blumenthal, "Die Energieversorgung der Zukunft - nachhaltig oder nuklear?" Solarzeitalter 1/2008, S. 37
[13] Alexander Bradshaw, Anhörung Kernfusion im Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung des Deutschen Bundestages am 28.3.2001, 55 S., http://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/presse/pi/images/bt_28_03_01.pdf
[14] Klaus Heinloth, "Die Energiefrage - Bedarf und Potentiale, Nutzung, Risiken und Kosten", Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft, Braunschweig/Wiesbaden, 2003, S. 285/298
[15] Alexander Bradshaw in feiner Selbstironie: Jeweils prognostizierter Zeitraum bis zur Realisierung eines Kernfusionskraftwerkes. Alexander Bradshaw, "Kernfusion - ITER", Vortrag Berlin Magnushaus 17.02.2004
[16] Johann Lingertat, "Gesteuerte Kernfusion", Sitzungsberichte der Leibniz-Sozietät, 82 (2005), 109
[17] Karl F. Alexander, "Perspektiven der Kernenergie für eine nachhaltige Versorgung der Menschheit mit Energie", Sitzungsberichte der Leibniz-Sozietät, 82 (2005), 82
[18] Johann Lingertat, "Gesteuerte Kernfusion" , Sitzungsberichte der Leibniz-Sozietät, 82 (2005), S. 110
[19] Klaus Traube und Hermann Scheer, "Kernspaltung, Kernfusion, Sonnenenergie - Stadien eines Lernprozesses", Solarzeitalter 2/98, S. 34
[20] Matthias Brake, "ITER auf der Kippe", Telepolis, 16.09.2008, http://www.heise.de/tp/blogs/2/115986
[21] "Fusionsreaktor Iter wird deutlich teurer" (15.09.2008), Handelsblatt.com vom 11.02.2009
[22] "The ITER Project", http://www.iter.org/a/index_nav_1.htm
[23] Norbert Holtkamp, "ITER: Energie aus Kernfusion", Vortrag, Deutsche Physikalische Gesellschaft Magnus-Haus Berlin, 10.02.2009
[24] Enquete Kommission des Deutschen Bundestages "Vorsorge zum Schutz der Erdatmosphäre", "Mehr Zukunft für die Erde", Economica Verlag Heidelberg 1995; zitiert in: Bernd Diekmann und Klaus Heinloth, "Energie - Physikalische Grundlagen ihrer Erzeugung, Umwandlung und Nutzung", B. G. Teubner Stuttgart 1997, S. 302/303
[25] Johann Lingertat, "Gesteuerte Kernfusion", Sitzungsberichte der Leibniz-Sozietät, 82 (2005), S. 109/110
[26] Mycle Schneider and Antony Froggatt, "The World Nuclear Industry Status Report 2007", The Greens - European Free Alliance in the European Parliament, Brüssel, London, Paris, Januar 2008, http://www.greens-efa.org/cms/topics/dokbin/206/206749.the_world_nuclear_industry_status_report@en.pdf
[27] Norman Solomon, Telepolis-Interview "Zivile Atomkraft ist ein Mythos", 12.10.2006, http://www.heise.de/tp/r4/artikel/23/23746/1.html
[28] Gert Blumenthal, "Die Energieversorgung der Zukunft - nachhaltig oder nuklear?" Solarzeitalter 1/2008, S. 40
[29] Florian Rötzer, "Weltweit wachsen die Bestände von waffenfähigem Nuklearmaterial weiter an", 12.10.2004,
Telepolis Artikel-URL: http://www.telepolis.de/deutsch/inhalt/co/18547/1.html
[30] Ekkehard Sieker, "Atome für den Krieg", junge Welt. Teil I, 26.04.2007, S. 10; Teil II, 27.04.2007, S. 10,
http://www.jungewelt.de/2006/04-26/032.php ; http://www.jungewelt.de/2006/04-27/018.php
[31] Bernd Diekmann und Klaus Heinloth, "Energie - Physikalische Grundlagen ihrer Erzeugung, Umwandlung und Nutzung", B. G. Teubner Stuttgart 1997, S. 299
[32] zitiert in: Klaus Traube und Hermann Scheer, "Kernspaltung, Kernfusion, Sonnenenergie - Stadien eines Lernprozesses", Solarzeitalter 2/98, S. 37
[33] Hans-Stephan Bosch und Alexander Bradshaw, "Kernfusion als Energiequelle der Zukunft", Physikalische Blätter 57 (2001) Nr. 11, S. 56
[34] Lothar Kolditz, "Energiebedarf und das Ende der Ölzeit", Berlin 2008, http://www2.rz.hu-berlin.de/leibniz-sozietaet/debatte/02%20Oelzeitalter/Energiebedarf%20und%20das%20Ende%20der%20%D6lzeit.pdf
[35] Günter Flach, Heinz Kautzleben und Klaus Steinitz, "Sichere Versorgung der Menschheit mit Energie und Rohstoffen. Zwischenbericht Teil II zur Tätigkeit des ad-hoc-Arbeitskreises Energieversorgung der Leibniz-Sozietät", Sitzungsberichte der Leibniz-Sozietät, 82 (2005), S. 173
[36] PC-Bibliothek 3.0, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG 1993-2001
[37] Bernd Diekmann und Klaus Heinloth, "Energie - Physikalische Grundlagen ihrer Erzeugung, Umwandlung und Nutzung", B. G. Teubner Stuttgart 1997, S.299
[38] Karl Heinz Büchel, Hans-Heinrich Moretto und Peter Woditsch, "Industrielle Anorganische Chemie", Wiley-VCH Weinheim u. a., 1999, S. 650 und 652
[39] Ian Fairlie, "A possible mechanism for the KiKK findings of increased childhood cancers near NPPs in Germany", Gesellschaft für Strahlenschutz e. V., Symposion Umweltmedizin: Evidenz - Kontroverse - Konsequenz, 28. September 2008, Charité Berlin, Tagungsprogramm, S. 28-33, www.strahlentelex.de/kinderkrebs_um_atomkraftwerke.htm
[40] Günter Fellenberg, "Chemie der Umweltbelastung", B. G. Teubner Stuttgart 1997, S. 241
[41] Inge Schmitz-Feuerhake, "Bewertung neuer Dosisfaktoren", Berichte des Otto Hug Strahleninstituts, Nr. 21-22 (2000), S. 67
[42] Dieter Naumann, "Allgemeine und angewandte Radiochemie", Akademie-Verlag Berlin 1962, S. 124/125
[43] Rainer Braun, Günter Fred Fuhrmann, Wolfgang Legrum und Christian Steffen, "Spezielle Toxikologie für Chemiker", B. G. Teubner Stuttgart 1999, S. 171 ff.
[44] Ian Fairlie, "A possible mechanism for the KiKK findings of increased childhood cancers near NPPs in Germany", Gesellschaft für Strahlenschutz e. V., Symposion Umweltmedizin: Evidenz - Kontroverse - Konsequenz, 28. September 2008, Charité Berlin, Vortrag
[45] Ian Fairlie, "A possible mechanism for the KiKK findings of increased childhood cancers near NPPs in Germany", Gesellschaft für Strahlenschutz e. V., Symposion Umweltmedizin: Evidenz - Kontroverse - Konsequenz, 28. September 2008, Charité Berlin, Vortrag
[46] Documents of the Health Protection Agency, Radiation, Chemical and Environmental Hazards, "Review of Risks from Tritium", Report of the independent Advisory Group on Ionising Radiation (AGIR), London, November 2007, 104 pages
http://www.hpa.org.uk/web/HPAwebFile/HPAweb_C/1197382221858
[47] Inge Schmitz-Feuerhake, "Bewertung neuer Dosisfaktoren", Berichte des Otto Hug Strahleninstituts, Nr. 21-22 (2000), S. 66-72
[48] Johann Lingertat, "Gesteuerte Kernfusion", Sitzungsberichte der Leibniz-Sozietät, 82 (2005), S. 108
[49] Peter Hennicke, "Der Bau von Einsparkraftwerken mit Least-Cost Planning", Spektrum der Wissenschaft, Dossier 5: Klima und Energie, 1996, S. 115
[50] John D. Bernal, "Welt ohne Krieg", VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1960, S.86

Anschrift des Autors:
Dr. sc. nat. Gert Blumenthal
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http://www.handelsblatt.com/technologie/forschung/fusionsreaktor-iter-wird-deutlich-teurer;2040547

Anmerkung der Redaktion Schattenblick:
Weitere Artikel von Gert Blumenthal im Schattenblick: → Umwelt → Fakten →
ENERGIE/058: Energieversorgung der Zukunft - nachhaltig oder nuklear? (Gert Blumenthal)
www.schattenblick.de/infopool/umwelt/fakten/ufaee058.html
und ÖKOLOGIE/014: Die Sonne und GAIA (Gert Blumenthal)
www.schattenblick.de/infopool/umwelt/fakten/ufaoe014.html

erstveröffentlicht im Schattenblick zum 3. Februar 2009

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Quelle:
Dr. sc. nat. Gert Blumenthal, Berlin - überarbeitete Fassung vom 12.02.2009
Der Schattenblick veröffentlicht diesen Artikel mit der freundlichen
Genehmigung des Autors.

veröffentlicht im Schattenblick zum 18. Februar 2009