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Kernfusion und Fusionsanlagen > Allgemeines zur Kernfusion

Nur noch zwanzig Jahre ...

Coronal mass ejection erupts on the Sun, 31 August 2012

Kernfusions-Profi seit Jahrmilliarden:
unsere Sonne

Kernfusion findet seit Milliarden von Jahren im Inneren der meisten Sterne statt. Dort werden Wasserstoffatome in Heliumatome verschmolzen, wobei sehr viel Energie freigesetzt wird. Diese natürliche Kernfusion versuchen Wissenschaftler auf der Erde mit großem Aufwand nachzuahmen.[1]

Die theoretischen Grundlagen der Kernfusion entstanden etwa zur gleichen Zeit wie die der Kernspaltung. Nachdem es dem neuseeländischen Physiker Ernest Rutherford 1934 zum ersten Mal gelungen war, Wasserstoffkerne zu Heliumkernen zu verschmelzen, machte die theoretische Fusionsforschung zunächst im militärischen Bereich, ab 1951 auch im zivilen Bereich Fortschritte. Mitte der 1950er Jahren glaubte man, 20 Jahre später würden funktionsfähige Fusionskraftwerke zur Verfügung stehen. 1973, als die Kernfusion in der Öffentlichkeit fast in Vergessenheit geraten war, wurde immer noch vorhergesagt, sie könnte in 20 Jahren verwirklicht werden.[2][3]

Geschichte der Fusionsforschung

Kernfusion hätte das Potenzial, Kernspaltung und fossile Energien zu ersetzen, Schwankungen bei erneuerbaren Energien auszugleichen und die Grundlast der Energieversorgung zu tragen. Bislang ist es jedoch nicht gelungen, mit Hilfe der Kernfusion in kommerziellem Maßstab Energie, geschweige denn Elektrizität zu erzeugen.[4]

Vorteile: Theoretisch unerschöpflicher Brennstoff, keine Kettenreaktionen

Nuclear fusion

Deuterium-Tritium-Fusion

Am besten eignen sich für die künstliche Kernfusion die Wasserstoffisotope Deuterium und (leicht radioaktives) Tritium. Ersteres ist reichlich im Meer vorhanden, letzteres kann aus Lithium erzeugt werden, welches in großen Mengen in der Erdkruste und in schwächerer Konzentration in Meerwasser vorkommt.[5]

Aus einem Gramm Brennstoff der Wasserstoffisotope Tritium und Deuterium könnten, so die Theorie, 90 000 Kilowattstunden Energie erzeugt werden. Fusionsprodukt ist nichtradioaktives Helium.[6]

Im Gegensatz zur Kernspaltung fallen keine hochradioaktiven Brennstoffabfälle an, so dass keine geologischen Tiefenlager benötigt werden.[1]

Ein weiterer großer Vorteil im Vergleich zur Kernspaltung ist, dass bei der Kernfusion keine überkritischen Zustände mit unkontrollierbaren Kettenreaktionen zu befürchten sind. Darauf wies im November 2013 die Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) in ihrer Studie zur "Sicherheit von Kernfusionskraftwerken hinsichtlich nuklearer Stör- und Unfälle" hin. "Leistungsexkursionen [seien] durch positive Rückkopplungsmechanismen physikalisch unmöglich. Außerdem ist eine Rekritikalität durch eine Akkumulation von Brennstoff oder aktiviertem Material physikalisch ausgeschlossen." Bei einer Abschaltung komme der Fusionsprozess selbstständig zum Erliegen. Deswegen wird die Gefahr einer großflächigen Freisetzung von radioaktiven Stoffen als wesentlich geringer eingeschätzt als bei der Kernspaltung. Es seien bei der Sicherheit aber "fusionsspezifische Ereignisse" zu berücksichtigen, wie z. B. die große Menge an Energie, die für den Einschluss des Plasmas in Magnetsystemen gespeichert werden muss.[7]

Nachteile: Großer Aufwand, Radioaktivität, Proliferation

Plasmaentladung im ASDEX Upgrade

Plasmaentladung im ASDEX Upgrade

Andererseits muss ein gewaltiger Aufwand betrieben werden, will man die in Sternen herrschenden Bedingungen auf der Erde nachahmen.

Während in der Sonne aufgrund der hohen Gravitation und eines Plasmadrucks von etwa 200 Mrd. Atmosphären Wasserstoff bei 15. Mio. Grad zu Helium fusioniert wird, muss das Plasma in Kraftwerken auf 100 Mio. Grad erhitzt werden, damit eine Fusion einsetzen kann. Außerdem muss das Plasma durch Magnetfelder eingeschlossen werden und frei im Reaktorraum schweben. Es geht für die Wände nämlich keine Materialien, die die große Hitze überstehen würden. Außerdem würde sich das Plasma bei einer Berührung sofort abkühlen, und die Fusion beendet werden.[8][1] Die Magnetfelder werden je nach Anlagentyp unterschiedlich erzeugt. Siehe dazu: → Tokamaks, Stellaratoren und weitere Konzepte.

Ein weiterer Nachteil ist, dass auch Kernfusion nicht frei von Radioaktivität ist. So wird als Brennstoff Tritium verwendet, ein radioaktives Gas mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren,[6] welches zum Reaktor transportiert und dort gelagert werden muss. Des Weiteren werden Anlagenteile und andere Materialien einer intensiven Neutronenstrahlung ausgesetzt und daher radioaktiv. Die Entwicklung neutronenresistenter Wandmaterialen ist eine große Herausforderung; es wird vermutlich nicht zu vermeiden sein, die Wände während der Laufzeit mehrmals auszutauschen. Auch wenn Schätzungen zufolge nur halb so viel Atommüll wie bei herkömmlichen Atomkraftwerken anfällt, gibt es also auch hier einen Bedarf an Zwischen- und Endlagerung. Allerdings ist zu erwarten, dass die Radioaktivität aktivierter Materialien nach 100 Jahren weitgehend abgeklungen ist.[9][10]

Als mögliche Risiken werden eine Freisetzung großer Mengen von Tritium bei Unfällen oder durch Fremdeinwirkung (Krieg, Terrorismus, Flugzeugabstürze) angesehen, die eine Evakuierung der Bevölkerung im Umkreis eines Fusionskraftwerks nach sich ziehen würde. Außerdem stellt radioaktives Tritium ein Proliferationsrisiko (Weitergabe zum Bau von Atomwaffen) dar. Die Gefahr der Erbrütung spaltbarer Materialien in Fusionsreaktoren wird hingegen als gering angesehen.[3]

Herausforderungen

Auf dem Weg hin zu einem künftigen Fusionskraftwerk wurden 2018 vor allem folgende Herausforderungen genannt, die bewältigt werden müssen:

Stabiler Betrieb von Fusionsplasmen
Entscheidend für die Kernfusion ist, dass der störungsfreie Betrieb und die Steuerung des Plasmas gewährleistet sind. Instabilitäten und Störungen im Plasma müssen verringert werden, damit die Wände des Reaktors nicht beschädigt werden. Dies ist auch Gegenstand der aktuellen Forschung, wie z. B. bei der im Bau befindlichen Kernfusionsanlage ITER (Frankreich).[11]

K-DEMO blanket toroidal segmentation

Skizze eines Segments des geplanten künftigen Fusionsreaktors K-DEMO mit Divertormodul

Entwicklung eines integrierten Ableitungssystems (sogenannte Divertoren)
"Divertoren" (Ableitungssysteme) sollen das bei der Tritium-Deuterium-Fusion entstehende Helium (die "Asche" des Fusionsprozesses) extrahieren. Sie müssen weiter optimiert werden, um die extreme Hitze sowie die hohe Neutronenlast über lange Betriebszeiten verkraften zu können.[11] Bei der größten Stellarator-Forschungsanlage Wendelstein 7-X (Deutschland) sollen z. B. wassergekühlte Divertor-Platten aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff verwendet werden.[12]

Entwicklung von neutronenresistenten Fusionswerkstoffen
Es müssen Materialien entwickelt werden, die die Strahlung abschirmen, damit Magnete, Diagnose- und Kontrollausrüstungen sowie Personal und die Umwelt nicht geschädigt werden. Diese Werkstoffe müssten zugleich Neutronen bis zu demjenigen Bereich des Reaktors durchlassen, in dem neues Tritium erzeugt werden soll. Es muss sichergestellt werden, dass kein langlebiger radioaktiver Abfall entsteht.[11]

Entwicklung einer Technolgie zur Produktion von Tritium
Das für die Fusion notwendige Tritium wird derzeit nur in kleinen Mengen, vor allem in kanadischen Kernspaltungsreaktoren, produziert. Dies dürfte für den Kernfusionsreaktor ITER (Frankreich) ausreichen. Woher das für nachfolgende Reaktoren wie DEMO benötigte Tritium jedoch kommen soll, ist ungeklärt. Bei einer auf Deuterium beschränkten Fusion (DD) ohne Tritium müsste das Plasma auf 400-500 Mio. Grad erhitzt werden, was wegen zu hoher Heizkosten als nicht ökonomisch angesehen wird.[13][14]

Deswegen müsste in künftigen Kernfusionsanlagen Tritium selbst erbrütet werden,und zwar aus der Wechselwirkung von bei der Fusion frei werdenden Neutronen und Lithium. Dafür gibt es bislang kein Konzept.[11]

Entwicklung von zuverlässigen Magnetsystemen
Bislang wurden Niedrigtemperatur-Supraleiter-Magnete verwendet, die sich für groß angelegte Fusionsreaktoren eignen. Es müssten stattdessen effiziente Hochtemperatur-Supraleiter-Magnete entwickelt werden, die auch die Entwicklung kleinerer effizienter Reaktoren ermöglichen könnten.[11]

Stromerzeugung
Die bei der Fusion gewonnene Wärmeenergie könnte schließlich über einen herkömmlichen thermodynamischen Kreisprozess mit Hilfe von Dampfturbinen und Generatoren in Elektrizität umgewandelt werden. In diesem Zusammenhang werden verschiedene Technologien diskutiert.[11]

Weitere Links

→ IPP: Kernfusion - Stand & Perspektiven von 2015
→ IPP: Kernfusion - Berichte aus der Forschung von 2002

→ n-tv.de: Kernfusion die Alternative? vom 9. November 2011 (Interview)
→ Welt Online: Kernfusion lässt von endloser Energie träumen vom 17. November 2011
→ Spiegel Online: Kernfusion

→ Wikipedia: List of fusion experiments
→ WNA: Nuclear Fusion Power

(Letzte Änderung: 06.04.2020)

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 1,2 kernenergie.ch: Kernfusion abgerufen am 25. Februar 2020
  2. Joachim Radkau & Lothar Hahn: Aufstieg und Fall der deutschen Atomwirtschaft. oekom, München 2013. S. 53.
  3. 3,0 3,1 tab-beim-bundestag.de: Kernfusion Sachstandsbericht vom März 2002
  4. IPP: Kernfusion - Stand und Perspektiven abgerufen am 17. November 2019
  5. WNA: Nuclear Fusion Power abgerufen am 26. Dezember 2019
  6. 6,0 6,1 IPP, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik: Was ist Kernfusion? abgerufen am 17. Dezember 2016
  7. bmu.de: Untersuchung der Sicherheit von Kernfusionskraftwerken hinsichtlich nuklearer Stör- und Unfälle vom November 2013
  8. onlinelibrary.wiley.com: Wendelstein 7‐X im Betrieb - Fusionsforschung mit Stellaratoren vom 2. Januar 2019
  9. Welt Online: Der Traum von endloser Energie aus Kernfusion vom 1. Dezember 2012
  10. DPG: Fusionsorientierte Plasmen abgerufen am 4. Januar 2020
  11. 11,0 11,1 11,2 11,3 11,4 11,5 intechopen.com: Nuclear Fusion Power Plants vom 6. April 2018
  12. ipp.mpf.de: Fusionsanlage Wendelstein 7-X in Greifswald wird aufgerüstet vom 16. März 2020
  13. sciencedirect.com: Tritium supply and use: a key issue for the development of nuclear fusion energy von 2018
  14. euro-fusion.org: Would a sustainable Deuterium-Deuterium (D-D) fusion reaction require much more energy compared to Deuterium-Tritium (D-T) fusion? abgerufen am 27. Oktober 2019
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