Kernfusionsreaktor

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Als Kernfusionsreaktor bezeichnet man nukleare Reaktoren, die durch Verschmelzung (Fusion) leichter Atomkerne Wärmeenergie und damit z. B. Strom erzeugen.

Zurzeit ist es noch nicht gelungen, Kernfusionsreaktoren zu bauen, die dauerhaft mehr Energie liefern, als sie für die Fusion aufnehmen müssen. Gelänge ein solches Reaktorkraftwerk, dann könnte es mit vergleichsweise geringem Brennstoffverbrauch große Mengen an elektrischer Energie liefern.

An Kernfusionsreaktoren wird seit etwa 1960 intensiv geforscht. Die theoretischen Grundlagen der Kernfusion werden durch die Kernphysik beschrieben. Das Potenzial zur Energiefreisetzung wird durch die Wasserstoffbombe bestens veranschaulicht, jedoch verläuft dort die Reaktion unkontrolliert. Auch die von der Sonne abgestrahlte Energie wird durch Kernfusion erzeugt. Die erste kontrollierte Kernfusion gelang 1970 mit Tokamak 3 in der Sowjetunion.

Nach Ansicht der meisten Experten ist eine kommerzielle Nutzung von Kernfusionsreaktoren frühestens in fünfzig Jahren zu erwarten. Der erste Versuchsreaktor, der mehr Energie erzeugen soll, als zum Aufbau des Fusionsplasmas benötigt wird, ist der ITER, dessen Planungsphase kürzlich abgeschlossen wurde und dessen Plasma-Betrieb 2016 beginnen soll. Die Europäische Union, die USA, Japan, die Volksrepublik China, Russland, Indien und Südkorea gaben am 28. Juni 2005 nach langen Verhandlungen den Startschuss für den Bau dieser Versuchsanlage. Sie soll in Cadarache in Südfrankreich mit Kosten von insgesamt 9,6 Milliarden Euro aufgebaut und 20 Jahre lang betrieben werden.

ASDEX Upgrade - Plasmaentladung, in der gerade ein Pellet (links oben) verdampft

[Bearbeiten] Reaktortypen

Das physikalische Grundproblem ist die gegenseitige elektrische Abstoßung zwischen den (immer positiv geladenen) Atomkernen, die zur Reaktion überwunden werden muss. Die Fusion als energetische Kettenreaktion benötigt deshalb, um einen Netto-Energieüberschuss zu erreichen, ein Wasserstoffplasma mit genügender Dichte, Temperatur (100 Mio. Kelvin) und Einschlussdauer.

Alles Folgende bezieht sich, wenn nicht anders vermerkt, auf Deuterium-Tritium-Reaktoren.

Ein Fusionsreaktor muss drei Zwecke erfüllen:

Einschluss des Plasmas derart, dass eine dauerhafte Reaktion aufrechterhalten wird;
Abfuhr von Energie zur technischen Nutzung;
Erbrüten des Brennstoffes Tritium in genügender Menge.

[Bearbeiten] Plasmaeinschluss

[Bearbeiten] Magnetfeldeinschluss

In Tokamaks und Stellaratoren schließt ein torusförmiges verdrilltes Magnetfeld das Plasma ein. Tokamaks erzeugen die Verdrillung durch Induzieren eines elektrischen Stroms in das Plasma, Stellaratoren haben stattdessen spezielle, komplizierte Formen der Magnetfeldspulen. Durch den Einsatz eines Divertors kann das Plasma gereinigt werden.

[Bearbeiten] Inertieller oder Trägheitseinschluss (Trägheitsfusion)

Hierbei wird der Brennstoff in Form kleiner Kügelchen (Pellets) durch Laserpulse oder Schwerionenstrahlen komprimiert und zur Zündung gebracht. Das Pellet besteht aus einer kleinen Menge Brennstoff – bei einer Deuterium-Tritium-Fusion werden dafür beispielsweise 2,5 Milligramm verwendet, so dass 3 · 10²⁰ Atompaare vorliegen, die insgesamt eine Energie von 1 GJ freisetzen – und mehreren Hüllen. Durch die Laserbestrahlung wird das Pellet in Sekundenbruchteilen aufgeheizt und verdichtet, die Hüllen verdampfen und entweichen nach außen. Der dadurch hervorgerufene Rückstoß verdichtet das Brennstoffgemisch nach innen auf das Zwanzigfache der Dichte von Blei. Durch den sehr hohen Druck bei einer Temperatur von 100 bis 200 Mio. Kelvin kommt es zur Fusion der Deuterium- und Tritiumkerne. Die Reaktion läuft nur so lange ab, wie der Brennstoff durch seine Massenträgheit zusammenhält (Picosekunden), aber wegen der sehr hohen Dichte genügt dies für einen Netto-Energiegewinn. In einem Reaktor dieser Art würden pro Sekunde mehrere Pellets abbrennen.

Da beim Trägheitseinschluss militärrelevante Technologien eingesetzt werden, findet internationale Zusammenarbeit mit ihrem zwangsläufigen Wissenstransfer nur in geringem Maße statt. Die Hochleistungslaser wurden im Rahmen des SDI-Projektes entwickelt, während das Implosionsverfahren zur Optimierung von Kernwaffen Verwendung findet.

Weitere, alternative und z. T. umstrittene Konzepte zum Plasmaeinschluss oder zur Fusionsenergiegewinnung ohne Plasma sind unter Farnsworth-Hirsch-Fusor und Kalte Fusion beschrieben.

[Bearbeiten] Aufheizen des Plasmas

Wenn die Fusionsreaktion im energetischen Sinn als Kettenreaktion abläuft, geben die gebildeten Heliumkerne ihre Energie durch Stöße an Deuterium- und Tritiumkerne ab und erhalten so die notwendige Temperatur aufrecht. Um die Fusion in Gang zu bringen, muss das Wasserstoffplasma allerdings "von außen" auf etwa 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Zu diesem Zweck sind verschiedene Konzepte entworfen worden.

[Bearbeiten] Elektrisches Aufheizen

Das Plasma ist ein elektrischer Leiter und kann mittels eines induzierten elektrischen Stromes erwärmt werden. Allerdings steigt die Leitfähigkeit des Plasmas mit steigender Temperatur, so dass der dem Strom entgegengesetzte Widerstand ab etwa 20–30 Millionen Grad nicht mehr ausreicht, das Plasma stärker zu erwärmen.

[Bearbeiten] Neutralteilchen-Einschuss

Das Einschießen von neutralen Atomen in das Plasma ist eine weitere Methode. Die kinetische Energie der Atome (die im Plasma sofort ionisiert werden) dient zum Aufheizen des Plasmas. Genannt wird diese Methode "neutral beam injection", kurz NBI.

[Bearbeiten] Ionen-Einschuss

Hier werden Ionen oder Schwerionenstrahlen in das Plasma geschossen. Diese lassen sich relativ leicht erzeugen und beschleunigen und tragen eine sehr hohe Energie in das Plasma.

[Bearbeiten] Magnetische Kompression

Ein Gas kann durch schnelles ("adiabatisches") Zusammenpressen erwärmt werden. Dasselbe kann mit einem Plasma durchgeführt werden, und ein Magnetfeld ist geeignet, das Plasma zusammenzupressen. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Methode ist, dass das Plasma gleichzeitig dichter wird und somit eine höhere Reaktionsrate erhält. Nachteilig ist, dass das komprimierte Plasma unter Umständen nur noch einen kleinen Teil des Volumens des Reaktionsgefäßes einnimmt.

[Bearbeiten] Elektromagnetische Wellen

Mikrowellen können die Ionen und Elektronen im Plasma auf ihren Resonanzfrequenzen anregen und somit Energie in das Plasma übertragen. Diese Methoden des "Aufheizens" nennt man "ion cyclotron radio frequency" (ICRF) und "electron cyclotron resonance heating" (ECRH).

[Bearbeiten] Abfuhr der Nutzenergie und Erbrüten von Tritium

Vier Fünftel der Energieausbeute der Kernreaktion (14,1 MeV, s. oben) finden sich als Bewegungsenergie des erzeugten Neutrons wieder. Dieses wird vom Magnetfeld nicht beeinflusst, durchdringt leicht die Wand des Plasmagefäßes und gelangt damit in das Blanket, wo es durch Stöße seine Energie als Wärme abgibt und danach zum Erbrüten eines Tritiumatoms dient. Das verbleibende Fünftel der Energie als Bewegungsenergie des erzeugten Heliumkerns wird im Plasma abgegeben und heizt dieses (s.oben).

[Bearbeiten] Brennstoffe

[Bearbeiten] Deuterium-Tritium

Die einfachste erreichbare Kernfusionsreaktion mit relativ guter Energieausbeute ist die zwischen Deuterium und Tritium. Daher wird diese auch bevorzugt angestrebt. Die hohe Energie der Neutronen (14,1 MeV) und die hohe Neutronenflussdichte bedeuten allerdings eine technische Herausforderung, denn die Materialien des Reaktors altern dadurch verstärkt, und außerdem werden durch Kernreaktionen zwischen den schnellen Neutronen und Wandatomen radioaktive Nuklide gebildet. Bei der Wahl der Materialien muss dies berücksichtigt werden, um möglichst wenig Radioaktivität und diese mit möglichst geringer Lebensdauer zu erzeugen. Übliche Chrom-Nickel-Edelstähle sind z. B. auf die Dauer nicht brauchbar, weil aus dem Nickelanteil große Mengen des relativ langlebigen und stark gammastrahlenden Kobalt-60 entstehen würden. Die Werkstoffentwicklung ist daher ein entscheidend wichtiger Teil der Fusions-Entwicklungsprogramme.

[Bearbeiten] Deuterium-Deuterium

Bei der D-D-Reaktion ist kein Erbrüten des Brennstoffs nötig, es wird kein radioaktiver Brennstoff verwendet, und die Abstoßung zwischen den Reaktionspartnern ist nicht größer als bei der D-T-Reaktion. Zwei Reaktionsverläufe sind möglich:

$\mathrm{D + D \ \rightarrow \ p + T + 4{,}032 \; MeV }$

$\mathrm{D + D \ \rightarrow \ n + \! ^3He + 3{,}268 \; MeV}$

Die Nachteile gegenüber der D-T-Reaktion sind der viel kleinere Energiegewinn und der viel kleinere Wirkungsquerschnitt, was die erforderliche Einschlusszeit erhöht. Als Folgereaktionen treten im D-D-Plasma zusätzlich auf:

$\mathrm{p + T \ \rightarrow \ \! ^4He + \gamma + 19{,}814 \; MeV}$

$\mathrm{D + T \ \rightarrow \ n + \! ^4He + 17{,}589 \; MeV}$

$\mathrm{D + \! ^3He \ \rightarrow \ p + \! ^4He + 18{,}353 \; MeV}$

$\mathrm{T + T \ \rightarrow \ 2 \,n + \! ^4He + 11{,}332 \; MeV}$

Das Plasma wäre also durch das entstehende Tritium nicht ganz frei von Radioaktivität.

[Bearbeiten] Deuterium-Helium-3

Der Helium-3-Kern ähnelt dem Tritiumkern, wenn man Neutronen und Protonen miteinander vertauscht. Die Reaktion liefert dementsprechend einen He-4-Kern und ein Proton von etwa 14 MeV Energie. Allerdings muss die höhere Abstoßung des doppelt geladenen He-3-Kerns überwunden werden. He-3 ist auf der Erde nur in geringer Menge vorhanden.

[Bearbeiten] Schwerere Brennstoffe

Es ist vorgeschlagen worden, Materialien wie Lithium, Beryllium oder Bor zu fusionieren. Derartige Reaktionen würden wenige Neutronen freisetzen und - wie auch D + ³He - die Energie stattdessen in Form geladener Teilchen abgeben, also leichter zu nutzen sein.

Allerdings sind die erforderlichen Bedingungen für diese Reaktionen noch viel schwieriger zu erreichen, weil es sich um mehrfach geladene Atomkerne mit entsprechend stärkerer Abstoßung handelt. Zum Beispiel müsste für die Bor-Reaktion, ¹¹B + p --> 3 ⁴He, im Vergleich zur Tritium-Reaktion die Temperatur 10-mal höher und die Einschlusszeit 500-mal länger sein. Selbst dann ist die Leistungsdichte 2500-mal niedriger.

[Bearbeiten] Kernfusionsexperimente

ITER-Modell

[Bearbeiten] Tokamaks

JET - Culham, England
ITER - Cadarache, im Süden Frankreichs
ASDEX Upgrade am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching bei München
TEXTOR am Forschungszentrum Jülich, Institut für Plasmaphysik
Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), Hefei, China ^[1]
JT-60, Naka, Japan ^[2]^[3]

Wendelstein 7-X Plasmagefäß

[Bearbeiten] Stellaratoren

Wendelstein 7-AS - Garching bei München
Wendelstein 7-X - Greifswald

[Bearbeiten] Trägheitseinschluss (Laserfusion)

NIF
NLUF
Z-Facility Sandia Labs
inertial electrostatic confinement

[Bearbeiten] Andere

[Bearbeiten] Für und Wider

[Bearbeiten] Machbarkeit und Kosten

Es ist noch nicht klar, inwiefern die Kernfusion mit herkömmlichen Energiequellen konkurrieren könnte, da zwar mit geringen Kosten für den Brennstoff gerechnet werden kann, der Bau des eigentlichen Reaktors jedoch eine große Investition bedeutet. Aktuelle Berechnungen (2005) gehen von einem Kostenaufwand von rund 4,8 Mrd. EUR aus, um einen funktionstüchtigen Kernfusionsreaktor zu etablieren. Die Betriebskosten hochgerechnet auf 30 Jahre würden nochmals den gleichen Betrag erfordern. Kalkulationen ergeben Stromkosten von ca. 5 – 10 Cent je kWh für Reaktoren der ersten Generation.

Andererseits ist davon auszugehen, dass bei einer weitergehenden Verknappung der fossilen Energieträger der Preis dieser Brennstoffe weiter steigen wird. Es ist nicht sicher, ob regenerative Methoden der Stromerzeugung wie z. B. die Solar-, Wind- oder Wasserenergie so ausgebaut werden können, dass mit ihnen alleine dauerhaft der gesamte Welt-Energiebedarf gedeckt werden wird. Somit wird die Fusion, wenn sie operativ einsatzfähig ist, möglicherweise sogar wesentlich günstiger sein, als es herkömmliche Stromerzeugungsmethoden dann sein werden.

Bislang stehen noch bedeutende technische Probleme zwischen den theoretischen Kenntnissen und einem funktionierenden Prototypkraftwerk. Es ist nicht endgültig geklärt, ob ein Fusionsreaktor kommerziell nutzbare Energie liefern kann. Mit ITER soll gezeigt werden, dass die Vergrößerung des Reaktors das erhoffte bessere Verhältnis von aufgewendeter zu gewonnener Energie liefert. Der Nachfolger von ITER, DEMO, soll um das Jahr 2040 schließlich kommerziell nutzbare Energiegewinnung demonstrieren.

Um wirtschaftlich arbeiten zu können, müssen Fusionskraftwerke eine gewisse Mindestbaugröße aufweisen, welche etwa den heutigen Kernspaltungskraftwerken entspricht (im Bereich zwischen 1 und 2 GW pro Block). Eine Integration solcher Anlagen in das bestehende europäische Verbundstromnetz, z. B. anstelle abgeschalteter Kernkraftwerke, wäre ohne größere Probleme zu realisieren.

[Bearbeiten] Verfügbarkeit des Brennstoffs

Die ersten Fusionsreaktoren sollen die Deuterium-Tritium-Reaktion (D-T-Reaktion) nutzen:

$\mathrm{T + D \ \rightarrow \ \! ^4He + n + 17,6 \; MeV} \ \$

Diese Reaktion hat allerdings die nachteilige Eigenschaft, dass Tritium radioaktiv ist. Jedoch ist die Art seiner Radioaktivität die der Betastrahlung, im Gegensatz zur andersartigen, hochgefährlichen Gammastrahlung, die bei Kernspaltung freigesetzt wird. Weiterhin ist Tritium in der Natur fast nicht verfügbar, muss also erzeugt werden. Tritium wird im Blanket des Reaktors aus Lithium erbrütet. Da Lithium seltener vorkommt als Deuterium, stellt es den begrenzenden Brennstoff dar. Die technisch nutzbaren Lithiumvorkommen reichen jedoch aus, um den Energiebedarf der Menschheit für einige tausend Jahre zu decken. Erst mit der Deuterium-Helium-3 (D + ³He) oder der Deuterium-Deuterium-(D+D)-Reaktion, die allerdings noch wesentlich schwieriger zu realisieren sind (s. oben), wäre eine Energieversorgung darüber hinaus möglich.

Der Brennstoff ist also

langfristig vorhanden
leicht zu gewinnen
preiswert und
weltweit verteilt (so dass keine politischen Abhängigkeiten auftreten)

[Bearbeiten] Umweltaspekte und Sicherheit

Fusionskraftwerke haben

keinen Ausstoß von Abgasen, insbesondere von Treibhausabgasen wie CO₂;
keine Kettenreaktion, die außer Kontrolle geraten kann, da die Zündbedingungen mit großem Aufwand aufrechterhalten werden müssen und das Brennstoffinventar im Reaktor klein ist (<500 g Superschwerer Wasserstoff); und,
nur wenig radioaktive Abfallprodukte (nur Betastrahlung, nicht Gammastrahlung) mit zudem geringerer Halbwertszeit (Tritium hat 12,3 Jahre Halbwertszeit) im Gegensatz zur Kernspaltung.

Im Vergleich zur Kernspaltung wird bei geeigneter Bauweise weniger radioaktives Material erzeugt. Es entsteht aufgrund der Aktivierung der Reaktorbestandteile durch die bei der Fusionsreaktion freigesetzten Neutronen. Durch Verwendung geeigneter Baumaterialien, die allerdings zur Zeit erst entwickelt werden, sollen die entstehenden Nuklide und somit deren Halbwertszeiten kontrolliert werden. Grundsätzlich lässt sich erreichen, dass die Halbwertszeiten der entstehenden Nuklide ganz überwiegend nur Jahrzehnte betragen. Entsprechend verringert sich die Problematik der Endlagerung: Da nach zehn Halbwertszeiten die Radioaktivität auf rund ein Tausendstel abgeklungen ist, müssen diese Atommülllager nur für ca hundert Jahre gesichert, kontrolliert und bewacht werden. Die endzulagernden Abfallmengen bestehen nur aus den Anlagenteilen der Fusionsanlage selbst.

Kritiker weisen auf die in weiter Zukunft liegende Verfügbarkeit hin und geben zu bedenken, dass Fragen der Sicherheit und Umweltverträglichkeit erst bei einem weiterentwickelten Konzept beantwortbar seien. Das im Reaktor verwendete und erbrütete Tritium ist radioaktiv (Halbwertszeit ca. 12,3 Jahre; β-Strahlung), so dass nach Inbetriebnahme der Reaktor nur noch mit dementsprechender Schutzausrüstung zugänglich ist. Reparaturen und Wartungsarbeiten am Reaktor müssen daher großenteils ferngesteuert ausgeführt werden. Die Freisetzung von Strahlung und Radionukliden aus der Anlage lässt sich zwar weitgehend reduzieren, kann aber aus physikalischen Gründen nicht vollständig verhindert werden. Fusionsreaktoren wären demnach eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Kernreaktoren, würden aber nicht völlig rückstandsfrei arbeiten. Die zu entsorgende Abfallmenge besteht nur im Konstruktionsmaterial der Anlage nach ihrer Nutzungsdauer.

[Bearbeiten] Risiken hinsichtlich Kernwaffenverbreitung

Die Fusionsreaktion verwendet zwar keine Spaltstoffe wie Uran oder Plutonium, die für die Zündung einer Kernwaffe unbedingt erforderlich sind, dennoch können Fusionskraftwerke die Verbreitungsgefahr von Kernwaffen erhöhen. Jeder Fusionsreaktor auf Basis der Deuterium-Tritium- oder Deuterium-Deuterium-Fusion würde so viele schnelle Neutronen produzieren, dass mit ihrer Hilfe im laufenden Betrieb relativ rasch isotopenreines spaltbares Material erzeugt (erbrütet) werden kann, das in Spaltungsbomben einsetzbar ist.

Weiterhin kann bereits eine geringe Menge Tritium oder ein Deuterium-Tritium-Gemisch im Inneren einer herkömmlichen Atombombe deren Energieproduktion und Zerstörungskraft um den Faktor zwei steigern. Die hierfür benötigte Menge von 1 bis 3g ist so gering, dass deren Fehlen im Fusionskraftwerk möglicherweise nicht einmal auffallen würde, weil sie u.U. im Rahmen der üblichen Messungenauigkeiten beim Wiegen der Brennstoffe läge. Grund für die gesteigerte Energiefreisetzung sind die bei der Fusion zahlreich erzeugten Neutronen, die die Kettenreaktion im Uran- oder Plutonium-Kernsprengstoff entsprechend intensivieren. Dadurch wird zwischen initialer Zündung und dem durch das Auseinanderfliegen des Kerns bedingten Abbruch der Kettenreaktion ein größerer Anteil des spaltbaren Materials umgesetzt. Simple Kernwaffendesigns mit nur gering überkritischer Spaltstoffanordnung zum Zeitpunkt der Zündung, wie sie einer terroristischen Gruppe in Zukunft noch am ehesten zuzutrauen sind, profitieren jedoch am wenigsten von einem solchen Fusions-Booster.

Schließlich kann Wissen aus der Kernfusionsforschung (etwa Wirkungsquerschnitte für die Fusions-Reaktion, das Gasverhalten bei hohen Temperaturen und Drücken oder numerische Simulationsmodelle) auch für Bau und Optimierung von Wasserstoffbomben genutzt werden. Die dazu benötigte verflüssigte Menge Deuterium-Tritium bewegt sich jedoch im Bereich von mehreren 1000 Kilogramm, der dazu notwendige Kühlaufwand würde eine solche Wasserstoffbombe so schwer und groß ausfallen lassen, dass deren militärische Verwendbarkeit in der Praxis stark beschränkt wäre. Da Tritium eine Halbwertszeit von 12,3 Jahren hat, wäre eine Wasserstoffbombe auf der Basis eines Tritium-Deuterium-Gemisch auch nur bedingt lagerfähig, vom Kühlaufwand noch abgesehen. Um Wasserstoffbomben lager-und transportfähig zu machen, wird daher das stabile Lithiumdeuterit verwendet; hier ensteht das Tritium zum Zeitpunkt der Zündung des primären Atomsprengsatzes. ^[4]

[Bearbeiten] Siehe auch

[Bearbeiten] Literatur

Einführung in die Kernfusion, IPP-Berichte (PDF, 9 MB)

A. Bradshaw, T. Hamacher: Kernfusion - Eine nachhaltige Energiequelle der Zukunft; in: Naturwissenschaftliche Rundschau 12/2005, S. 629

[Bearbeiten] Weblinks

http://www.iter.org - ITER
http://www.fz-juelich.de/ipp/textor/ TEXTOR
http://fire.pppl.gov - FIRE
http://fusedweb.pppl.gov/FAQ/fusion-faq.html - FUSION FAQ
http://www.efda.org - European Fusion Development Agreement
http://fusedweb.pppl.gov/Glossary/glossary.html - Plasma/Fusion Glossary
http://www.ipp.mpg.de - Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
http://www.fzk.de/fzk/idcplg?IdcService=FZK&node=0733&document=ID_001790 - Programm Kernfusion im Forschungszentrum Karlsruhe
Comparison of the Fusion with Other Prospective Energy Sources Japanische Vergleichsstudie von Fusionsreaktoren mit anderen zukünftigen Energieformen von 2002 (englisch, PDF, 285 kB)
Kernfusion - eine Energiequelle der Zukunft? (Marcus Haas)

[Bearbeiten] Quellen

↑ Xinhua: Nuke fusion reactor completes test, 24. März 2006, http://news.xinhuanet.com/english/2006-03/24/content_4341563.htm
↑ Japan Atomic Energy Agency, Naka Fusion Institute, JT-60 Research Program http://www-jt60.naka.jaea.go.jp
↑ The Yomiuri Shimbun: JT-60 smashes record plasma duration time, 11. Mai 2006, http://www.yomiuri.co.jp/dy/features/science/20060511TDY04004.htm
↑ http://versuchstechnik.de/kernfusion/fusionsreaktor.pdf Wasserstoffbombe auf der Basis von Deuterium-Tritium wenig Praxistauglich

Von „http://de.wikipedia.org../../../k/e/r/Kernfusionsreaktor.html“

Kategorie: Kernfusion