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Kernfusion-Stand und Perspektiven

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Vortragstext von Moritz Stein zum Thema:
Kernfusion - Stand und Perspektiven

veröffentlicht: Februar 2007

  1. Einleitung- die natürliche Kernfusion
  2. Begriffsklärung
  3. künstliche Kernfusion
    3.1 Voraussetzungen
    3.2 plasmaphysikalische Grundlagen
       3.2.1 Der Tokamak- Reaktor
       3.2.2 Der Stellarator
       3.2.3 Technik des Reaktors
    3.3 Das Fusionskraftwerk
  4. Projekte der Kernfusionsforschung
    4.1 JET
    4.2 ITER
    4.3 ASDEX- Wendelstein
  5. Perspektiven
    5.1 Hindernisse
    5.2 ökologische Faktoren
  6. weitere Möglichkeiten der Kernfusion
    6.1 kalte Fusion
    6.2 MIGMA- Konzept
  7. Quellen

1. Einleitung - natürliche Kernfusion

1.1 Was ist Kernfusion?

Kernfusion ist ein Prozess, der zum Beispiel in unserem Zentralgestirn, der Sonne abläuft. Dort verbinden sich ("fusionieren") Wasserstoffisotope zu einem Heliumatom. Bei diesem Prozess entsteht ein Heliumatom und ein Neutron. Ein Teil der Masse des Wasserstoffs jedoch wird in Energie umgewandelt.

-  Sonne besteht zu 90% aus Wasserstoff
-  gewinnt Energie aus der Fusion von Wasserstoffisotopen

4 1H ༠ 4He + 1e+ + 24,68 MeV   (natürliche Kernfusion)

-  ca. 1038 Fusionen pro Sekunde nach Bethe- Weizsäcker Zyklus
-  Bethe (geb. dt. Straßburg); Weizsäcker (geb. Kiel; Studium Leipzig)
-  beschreibt Möglichkeit des Verschmelzens von H zu He Kernen

2. Begriffsklärung

2.1 Das Plasma

    - ein Gas, das nicht aus neutralen Atomen oder Molekülen, sondern aus freien Elektronen und Ionen
     besteht
    - bei sehr hohen Temperaturen werden die Gasmoleküle infolge der häufigen sehr starken
     Zusammenstöße bei der Wärmebewegung ionisiert, und die äußeren Elektronen bleiben abgetrennt
    - elektrisch neutral, dennoch besteht es aus freien, voneinander getrennten Ladungsträgern
    - stets mit elektrischen Strömen und folglich mit magnetischen Feldern verknüpft, die auf den
     Strömungsvorgang zurückwirken
    - das Plasma lässt sich durch starke magnetische Felder komprimieren und kann auf diese Weise
     kontrolliert auf extrem hohe Temperaturen (bis ca. 300 Mio. K) gebracht werden
    - gezündetes Plasma: andauernde Fusion, wird selbstständig aufrechterhalten

2.2 Die Wasserstoffisotope

 

3. künstliche Kernfusion

    - einfachste Möglichkeit die Fusion auf der Erde durchzuführen ist mit den Wasserstoffisotopen
     Deuterium und Tritium
    - wichtigste Reaktion:

2H + 3H༠ 4He + 1n + 17,58 MeV

3.1. Voraussetzungen

Zündbedienung des Plasmas:

  • - Plasmatemperatur von 100-200 Mio. °C
  • - Plasmadichte von 1014 Teilchen pro cm3
  • - Energieeinschlusszeit von 1-2 Sekunden (Güte der Wärmeisolation des Plasmas)

Brennmaterial:

  • - großes Problem besteht darin, dass Tritium nicht in den benötigten Mengen in der Natur vorkommt
  • - muss z.B. mit Lithium erbrütet werden, dessen Zusammensetzung zu 92,5 % aus Li7 und 7,5 % aus Li6 besteht., dabei entstehen folgende Reaktionen:

    Li7 + ( schnelles ) n => T + He - 2,5 MeV + ( langsames ) n        / (Brutreaktion)
    Li6 + ( langsames ) n => T + He + 4,8 MeV
     
  • - Deuterium kommt im natürlichen Wasser zu 100-160 ppm ( parts per million ) vor. Im gesamten Wasser der Erde befinden sich ca. 100 Mrd. Tonnen und der jährliche Bedarf wäre für die gesamte Welt ca. 150 t
  • - Lithium, welches als Brenn- und Kühlmittel verwendet werden soll, wurde 1987 auf der Welt in einer Menge von 9000 t produziert. Bei einem jährlichen Verbrauch von einigen Tonnen als Brennmaterial und einem einmaligen Bedarf an Kühlmaterial von 175 t - 1200 t ( je nach Reaktorgröße ) wäre genügend Lithium vorhanden

3.2 plasmaphysikalische Grundlagen

magnetischer Einschluss des Plasmas:

  • - Plasma wird durch Aneinanderreihung von magn. Spulen eingeschlossen
  • - Plasmateilchen sind an Magnetfeld der Spule gebunden
  • - Um zu verhindern, dass Plasma an den Polen entweicht, verwendet man toroidale Magnetfelder
  • - Feldstärke nimmt von innen nach außen ab à ständige Drift der Teilchen nach außenà irgendwann Aufschlag auf Wand
  • - Um dies zu verhindern verwendet man schraubenförmig verdrilltes Magnetfeld
  • - Um eine optimale Umgebung für den Plasmafluß zu schaffen ist ein Ultrahochvakuum von 10-8 mbar erforderlich

3.2.1 Der Tokamak-Reaktor (toroidalnaja kamera magnitnoj katuschki)

  • - verdrilltes Magnetfeld wird durch zwei überlagerte Magnetfelder erreicht
  • - erstens das toroidale Feld (durch äußere Spulen erzeugt), zweitens das Feld des im Plasma fließenden Stroms (wird durch Trafo erzeugt)
  • - zur Fixierung der Lage des Plasmastroms wird ein zusätzliches vertikales Feld benötigt

            Anordnung der Magnetfelder

3.2.2 Der Stellarator:

  • - verdrilltes Feld nur durch äußere Spule erzeugt
  • - komplizierter Aufbau und Anordnung der Feldspulen
  • - Reaktor kommt ohne Trafo aus

          Magnetfelder des Stellarator-Modells

3.2.3 Reaktortechnik

Wandtechnik:

  • - durch Teilchenzusammenstöße (untereinander) werden immer wieder Teilchen nach außen gegen die Wand geschleudert
  • - an Wand werden schwere Teilchen herausgeschlagen (Nickel, Eisen)
  • - wandern in Plasma, nehmen Energie auf und geben sie in Form von UV- Licht ab
  • - Plasma wird verunreinigt und abgekühlt ༠ Erlöschen der Kernverschmelzung
  • - Kontrolle der Wechselwirkungen Wand- Plasma ist große Aufgabe der Kernfusionsforschung

Plasmaheizung:

  • - Ohmesche Heizung: Plasma ist elektrisch leitfähig und besitzt gewissen Widerstand
  • - wird im Plasma ein Strom induziert, erzeugt dieser durch Plasmawiederstand Wärme im Plasma
  • - allerdings nur zum anheizen geeignet, da Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt
  • - Hochfrequenzheizung: Elektronen und Ionen des Plasmas führen Eigenschwingung aus
  • - wenn elektromagnetische Welle gleicher Frequenz eingestrahlt wird, nehmen Teilchen die Energie aus der Welle auf und geben sie durch Zusammenstöße an andere ab ༠ Aufheizung
  • - Neutralteilcheninjektion: Teilchen werden über Neutralteilcheninjektor ins Plasma geschossen ༠ Plasma wird aufgeheizt

Brennstoffnachfüllung:

  • - wenn Plasma gezündet ist muss ständig neuer Brennstoff nachgefüllt werden
  • - Pelletinjektion: Deuterium und Tritium werden so stark abgekühlt, dass es gefriert
  • - Kügelchen mit Durchmesser von wenigen Millimetern werden geformt (sog. Pellets)
  • - werden in Gaskanonen auf 4-fache Schallgeschwindigkeit beschleunigt
  • - mit einer rund 1 mg schweren Kugel werden bereits 1/3 des Plasmas nachgefüllt
  • - Vorteil: da an beliebiger stelle eingeschossen, kann man das Dichteprofil des Plasmas vorteilhaft ändern

Divertor:

  • - thermonukleares Plasma kann nur brennen, wenn es in einem sehr hohen Reinheitsgrad vorliegt
  • - durch Wechselwirkungen des Plasmas mit den umgebenden Wänden entstehen durch Zerstäubung, Verdampfung oder durch zwischen Plasma und Wand brennenden Lichtbögen Plasmaverunreinigungen
  • - nur wenige Plasmateilchen die auf die äußere Wand aufschlagen, würden das Plasma soweit verunreinigen, dass ein weiteres Zünden unmöglich wäre (kritische Verunreinigungsgrenze)
  • - aus diesem Grund werden Feldlinien so geformt, dass eine gezielte Abfuhr möglich ist
  • - die Teilchen werden durch enge Schlitze, parallel zum Plasmastrom in eine Nebenkammer geführt, wo sie gezielt auf Prall-Platten, die Divertoren, gelenkt werden
  • - die dabei freigesetzten Atome werden abgepumpt (Helium und andere)
  • - die Divertoren sind mit 15 MW/m2 die thermisch am höchsten belasteten Teile im Reaktor
  • 3.3 Das Fusionskraftwerk
  • - Kernstück ist die ringförmige Brennkammer
  • - Plasmagefäß umgeben von Brutmantel (für Tritium)
  • - Bis Zündung führt eine Startheizung für einige Sekunden Leistung von etwas 50 bis 100 MW zu (wenn gezündet dann Heizung aus)
  • - in Brennkammer wird ständig Tritium und Deuterium nachgefüllt (Pelletinjektion)
  • - über Divertor wird verunreinigtes Plasma abgeführt
  • - im Brennraum entstehende Energie wird über Neutronen in den Mantel übertragen und von Wärmetauschern aufgenommen
  • - danach erfolgt wie in anderen Kraftwerken die Umwandlung in Strom über Turbinen und Generatoren
  • - Kraftwerk ist nicht frei von Radioaktivität, da mit radioaktiven Tritium gearbeitet wird, und die den Brennraum umgebenden Materialien durch schnelle Neutronen aktiviert werden können
  • Leistung des Fusionskraftwerkes
    - aus einem Gramm Brennstoff ca. 90.000 kwh Energie
     (entspricht der Verbrennungswärme von 11 t Kohle)
    - 1 t H > 90 Mrd. kwh (1 t Uran -235 > 8 Mrd. kwh)

    3 Personenhaushalt:
    -  3000 Kwh/a: 0,7 g U-235
    -  3000 Kwh/a: 0,03g H
    -  3000 Kwh/a: 900Kg Steinkohle

  • - einziges großes Abfallprodukt ist Helium (“Fusionsasche”) > kann weiter verwendet werden

4. Projekte der Kernfusionsforschung

4.1 JET (Joint European Torus)- Tokamak

  • - seit 1972 von allen europäischen Staaten gemeinsam konzipiert, gebaut und seit 1983 in Großbritannien betrieben
  • - weltweit größtes und fortschrittlichstes Fusionsexperiment
  • - Ziel: Sammlung von Informationen über Plasma
  • - Jet- Plasma nur noch um Faktor sechs von der Zündung entfernt (1972 Faktor 25000)
  • - 1997: erstmals Plasmaentladung von 13 MW ༠ deckte 60% Heizleistung

4.2 ITER (Internationaler Thermonuklearer Reaktor)

  • - begann 1988 im Max- Planck- Institut für Plasmaphysik
  • - erster kompletter Testreaktor (Tokamakreaktor) mit selbständig brennenden Plasma
  • - Nachweis, dass ein Energielieferndes Fusionsfeuer möglich ist ༠ Leistung 1500 MW
  • - Demonstrationsanlage soll 2008 in Japan, Italien, Frankreich oder Kanada gebaut werden
  • - Probleme:
  • - Entwicklung von supraleitenden Magnetspulen (verlustloser Spulenstrom)
  • - Entwicklung fernbedient arbeitender Komponenten
  • - Sicherheits- und Umweltfragen
  • - Neutronenbeständige Baumaterialien

4.3 ASDEX und Wendelstein

  • parallele Erforschung von Stellarator und Tokamak- Reaktor Eigenschaften in Garching
  • -  Garching Forschung zeigte das der Stellarator ein Ersatz für Tokamak sein kann

Ziele:

  • - Untersuchung eines stromfreien Plasmas
  • - Demonstration des verbesserten Gleichgewichts- und Transportverhaltens als Wirkung der verbesserten Magnetfeldstruktur
  • - Untersuchung der Stabilitätsgrenzen des Plasmas
  • - Aufheizen des Plasmas mit verschiedenen Heizmethoden

5. Perspektiven

  • - verläuft die Forschung wie man es sich heute vorstellt sollen 2050 funktionstüchtige Reaktoren genutzt werden können
  • - Ziel der weltweiten Fusionsprogramme ist die konkrete Konstruktion eines Reaktors
  • - die prinzipielle Realisierbarkeit eines energieliefernden Reaktors ist nicht geklärt
  • - es wird gehofft, dies in sechs bis zehn Jahren beantworten zu können

5.1 fundamentale Hindernisse:

  • Es ist nicht möglich einen kleinen Versuchsreaktor zu bauen und dann auf ein größeres Modell hochzurechnen.
  • Vorhersagen sind nur an einem der Größe des Endreaktors entsprechenden Testreaktors zu erproben (immense Kosten),
  • Die derzeitig zur Verfügung stehende Computerleistung reicht bei weitem nicht aus, um eine Simulation mit allen Parametern zu errechnen (zwingende experimentelle Forschung).
  • - um einen Fusionsreaktor zu konstruieren, müssen parallel zur eigentlichen Plasmaphysik eine Vielzahl andere Techniken entwickelt werden (supraleitende Magneten, Radiosender im Höchstfrequenzbereich, intensive Teilchenstrahler, Vakuumtechnik, etc.)
  • - wobei die Resultate dieser Forschungstätigkeiten wissenschaftlich als eher gering eingestuft werden

5.2 ökologische Faktoren

  • - ein Beweggrund für die Suche nach neuen Energiequellen ist die Reduzierung des CO2-Ausstoßes, da dieses Gas erheblich zum Treibhauseffekt beiträgt
  • - die Chancen für einen Fusionsreaktor, zu dieser Problematik positiv beizutragen, sind nicht sehr gut
  • - zum einen liegt der Anteil der gesamten Energieproduktion am CO2-Ausstoß bei ca. 20%
  • - zum anderen wird der Fusionsreaktor nicht als Ersatz für Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen angesehen, sondern als weitere nukleare Option
  • - nicht zuletzt ist mit Fusionsreaktoren derzeit nicht vor 2050 zu rechnen, so dass bereits vorher Wege zur Verminderung des Treibhauseffektes gefunden werden müssen
  • - auch für einen Einsatz in Entwicklungsländern, wo der Bedarf an Energieversorgung in nächster Zeit stark steigen wird, ist der Fusionsreaktor wegen der Komplexität, der späten Verfügbarkeit und den hohen Kosten eher ungeeignet
  • - problematisch ist die Handhabung des Tritiums dadurch, dass dieses Gas durch nahezu alle Materialien diffundiert, ganz besonders aber durch die stark erwärmten Reaktorwände (Technische Lösungen hinsichtlich der Gebäudeabdichtung sind teilweise vorhanden)
  • - die Reaktorwand wird durch Neutronenbeschuss aktiviert und muss regelmäßig ausgewechselt werden (könnten nach 30-50 Jahren wieder verwendet werden)
  • - gefahrenpotential bergen die starken Magnetfelder und die in ihnen gespeicherte Energie
  • - ein plötzliches Zusammenbrechen der Magnetfelder würde zu einer mechanischen Zerstörung des Reaktors führen (bei der derzeit geplanten Bauweise mit 2,5m dicken Wänden sollte jedoch nichts austreten)
  • - ein Durchgehen der Fusionsreaktion (Leistungsexkursion), wie sie bei Spaltreaktoren möglich ist, wäre bei Fusionsreaktoren ausgeschlossen, da bereits geringe Verunreinigungen des Plasmas zum Erliegen der Reaktion führen
  • - der Kompakttorus TESPE steht in Karlsruhe, seine Aufgabe ist es Störfälle zu simulieren und mögliche Schwachpunkte in der Konstruktion des Torus aufzudecken

6. weitere Möglichkeiten der Kernfusion

Kalte Kernfusion

  • - bei der kalten Kernfusion kann man die hohen Temperaturen und riesigen Versuchsaufbauten umgehen
  • - die kalte Kernfusion läuft bei Temperaturen ab 13 bis über 1000 Kelvin in festen, flüssigen oder gasförmigen Medien ab
  • - die Reaktion kann in einer einfachen mit Tritium und Deuterium gefüllten Kammer durchgeführt werden
  • - hierzu lässt man negative Myonen in die Kammer eindringen
  • - die Myonen stellen durch besondere Stoßprozesse enge Bindungen zwischen den Wasserstoffmolekülen her
  • - die so myonisch gebundenen Kerne verschmelzen und es wird Energie in Form von Wärme frei
  • - die Myonen werden dabei wieder freigesetzt und können unter bestimmten Bedingungen weitere Fusionen katalysieren
  • - Myonen kann man künstlich mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern erzeugen. Damit ein Myon mehrere Kernfusionen katalysieren kann, sind hohe Energien für dessen Erzeugung notwendig
  • - Leider wird mehr Energie benötigt, um die Reaktion ablaufen zu lassen, als später frei gesetzt wird
  • - die kalte Fusion ist zur Zeit nur für die Grundlagenforschung interessant
  • - es gibt bis heute keine reproduzierbare Versuchsanordnung mit positiver Energiebilanz

MIGMA-Konzept

  • - bei dem MIGMA-Verfahren werden aus einem Teilchenbeschleuniger Teilchen wiederholt zur Kollision gebracht und verschmolzen
  • - es entstehen vier energiereiche Alphateilchen (He2+)
  • - das besondere an diesem Ansatz ist, dass kein radioaktives und toxisches Tritium benötigt wird und keine Neutronen entstehen, welche für die unerwünschte Radioaktivität verantwortlich sind
  • - leider wird diese von einigen Physikern für genial gehaltene Technik weltweit ignoriert
  • - es werden zur Weiterentwicklung trotz ansehnlicher Anfangserfolge in den 70 Jahren nicht genügend Fördermittel zur Verfügung gestellt. (Einige Wissenschaftler vermuten, dass Grund hierfür sein könnte, dass bei dieser Reaktion keine energiereichen Neutronen entstehen, die zu dem sehr interessanten Nebenprodukt, dem spaltbaren Material, führen.)

7. Quellen

  • - Homepage Max Planck Institut für Plasmaforschung
  • - Presseinformationen/ Handouts Garching ( Dank an Isabella Milch, Max Plank- Institut für Plasmaphysik)
  • - Frankfurter Rundschau vom 25. Juni 2002 („Das Feuer des Prometheus“)
  • - Die Zeit vom 05.06.2003 („Hickhack um Tokamak“)
  • - Kernenergie ( Birkhäuser Verlag)

Mail to: Dr. Ludwig Lindner