WASHINGTON, 18. August 2025 – Von Elektroautos bis hin zu Rechenzentren für künstliche Intelligenz (KI) – die Technologien, die die Menschen tagtäglich nutzen, erfordern einen wachsenden Bedarf an Strom. Theoretisch könnte die Kernfusion – ein Prozess, bei dem Atome miteinander verschmolzen werden und dabei Wärme freigesetzt wird, um Generatoren anzutreiben – riesige Energievorräte mit minimalen Emissionen liefern. Aber die Kernfusion ist eine teure Angelegenheit, denn einer der Hauptbrennstoffe ist eine seltene Version des Wasserstoffs namens Tritium. Jetzt entwickeln Forscher neue Systeme, um aus Atommüll Tritium zu gewinnen.
Terence Tarnowsky, ein Physiker am Los Almos National Laboratory (LANL), wird seine Ergebnisse auf der Herbsttagung der American Chemical Society (ACS) vorstellen. Die ACS Fall 2025 findet vom 17. bis 21. August statt und bietet etwa 9.000 Präsentationen zu einer Reihe von wissenschaftlichen Themen.
Die heutigen Kernkraftwerke erzeugen Energie durch einen Prozess namens Kernspaltung. Bei der Kernspaltung spaltet sich ein Plutonium- oder Uranatom und setzt dabei Energie und Teilchen, so genannte Neutronen, frei, die wiederum weitere Atome spalten. Diese Kettenreaktion der Kernspaltung liefert einen stetigen Energiestrom, führt aber auch zu langlebigem Atommüll. Vorgeschlagene Kernfusionskraftwerke würden Energie durch die Kombination von Atomkernen erzeugen. Bei der Fusion würden sich Formen von Wasserstoff, genannt Deuterium und Tritium, zu schwereren Atomen verbinden. Dieser Prozess, der die Sterne im Universum antreibt, setzt eine große Menge an Energie frei und erzeugt im Gegensatz zur Kernspaltung nur sehr wenig radioaktiven Abfall.
Während Deuterium leicht verfügbar ist, fehlt es den USA derzeit an einer sicheren und berechenbaren Versorgung mit Tritium. „Im Moment liegt der Wert von kommerziellem Tritium bei etwa 15 Millionen Dollar pro Pfund [33 Millionen Dollar pro Kilogramm], und die USA haben keine inländischen Kapazitäten, um es herzustellen“, sagt Tarnowsky. „Wir haben also einen Engpass bei der Tritiumversorgung.“
Tritium kommt natürlich in der oberen Atmosphäre vor. Und die derzeit wichtigste kommerzielle Quelle sind Spaltreaktoren in Kanada. „Der Gesamtbestand an Tritium auf der Erde beträgt etwa 55 plus/minus 31 Pfund [25 plus/minus 14 Kilogramm]“, sagt Tarnowsky. „Wenn man einige Annahmen trifft, sind 55 Pfund [25 Kilogramm] genug Tritium, um mehr als 500.000 Haushalte sechs Monate lang mit Strom zu versorgen. Das ist mehr als die Wohneinheiten in Washington, D.C.“
Im Gegensatz zu den Tritiumvorräten verfügen die USA über Tausende von Tonnen Atommüll, der von kommerziellen Kernkraftwerken produziert wird. Er enthält hochradioaktive Stoffe, die teuer gelagert werden müssen, um sie sicher einzuschließen. Bei einer langfristigen Lagerung besteht die Gefahr, dass die Strahlung in die Umwelt entweicht und Pflanzen und Wildtiere schädigt oder beim Menschen Krebs verursacht.
Daher sah Tarnowsky die Möglichkeit, die Machbarkeit der Nutzung von noch radioaktivem Atommüll zur Erzeugung von wertvollem Tritium zu bewerten. Er hat mehrere Computersimulationen potenzieller Tritiumreaktoren durchgeführt, um die Produktion und Energieeffizienz der Konstruktionen zu bewerten.
Die simulierten Reaktordesigns verwenden einen Teilchenbeschleuniger, um Atomspaltungsreaktionen im Atommüll in Gang zu setzen. Wenn sich die Atome in der Simulation spalten, setzen sie Neutronen frei und erzeugen nach einer Reihe weiterer nuklearer Übergänge schließlich Tritium. Die Beschleunigerfunktion würde es den Betreibern ermöglichen, diese Reaktionen ein- oder auszuschalten und gilt als sicherer als die Kettenreaktionen, die in einem typischen Kernkraftwerk ablaufen. Obwohl die Grundprinzipien des Designs nicht neu sind, könnte es durch technologische Fortschritte effizienter werden als bei den ersten Überlegungen in den 1990er und frühen 2000er Jahren, sagt Tarnowsky.
Bisher schätzt er, dass dieses theoretische System, das mit 1 Gigawatt Energie betrieben wird, was dem gesamten jährlichen Energiebedarf von 800.000 US-Haushalten entspricht, etwa 4,4 Pfund (2 Kilogramm) Tritium pro Jahr produzieren könnte. Diese Menge entspricht der jährlichen Gesamtproduktion aller Reaktoren in Kanada. Ein wesentlicher Vorteil von Tarnowskys System wäre die Effizienz der Tritiumproduktion. Er geht davon aus, dass die Anlage bei gleicher thermischer Leistung mehr als 10 Mal so viel Tritium produzieren würde wie ein Fusionsreaktor.
Als Nächstes wird Tarnowsky die Kosten für die Tritiumproduktion in Dollar berechnen, sobald er genauere Berechnungen zur Effizienz des Reaktors hat. Er wird seine Simulationen verfeinern, um die Effizienz und Sicherheit des Reaktordesigns genauer zu bewerten. Die meisten dieser Modelle wurden zwar schon früher entwickelt, aber noch nicht auf diese Weise kombiniert. So plant er zum Beispiel die Entwicklung eines neuen Codes für ein Modell, das den Atommüll mit geschmolzenem Lithiumsalz umgibt, ein bewährtes Design für Reaktoren mit Uranbrennstoff, das bisher nur für wissenschaftliche Experimente verwendet wurde. Die kühlenden Eigenschaften des Salzes stellen eine potenzielle Sicherheitsmaßnahme dar, und der Aufbau würde es schwierig machen, den Abfall für die Entwicklung von Waffen zu extrahieren. Letztendlich soll die Modellierung den Entscheidungsträgern dabei helfen, zu verstehen, welche Simulation das größte Potenzial für eine zukünftige Umsetzung hat.
All dies mag komplex erscheinen, aber für Tarnowsky ist es Teil eines Plans zur Nutzung bestehender Technologien, um die Kosten zu senken. „Die Energiewende ist ein kostspieliges Geschäft, und wann immer man es einfacher machen kann, sollten wir es versuchen“, sagt er.
Die Forschung wurde vom Los Alamos National Laboratory und der National Nuclear Security Administration finanziert.