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Kernfusion und Fusionsanlagen > Geschichte der Fusionsforschung

Ab 1920: Physikalische Grundlagenforschung

Kernfusion gab es bereits, als im Universum vor Jahrmilliarden die ersten Sterne entstanden.

Dem Menschen erschien das Leuchten der Sterne bis zum frühen 20. Jahrhundert als unerklärlich. Es war der britische Astrophysiker Arthur Stanley Eddington (1882-1944), der 1920 als erster Wissenschaftler annahm, dass Sterne ihre Energie aus der Fusion von Wasserstoff- zu Heliumkernen bezogen.[1]

Er berief sich dabei auf Messungen des Chemikers und Physikers Francis William Aston (1877-1945). Siehe dazu im Original → articles.adsabs.harvard.edu: Eddington, A. S.The internal constitution of the stars (S. 354) vom Oktober 1920.

1939 identifizierte der deutsch-US-amerikanische Physiker Hans Bethe (1906-2005) in der Studie "Proton-Proton Chain" die von Eddington postulierten Prozesse.[1]

Sir Ernest Rutherfords laboratory, early 20th century. (9660575343)

Sir Ernest Rutherfords Laboratorium in der Universität Cambridge (1926)

Den entscheidenden Anstoß zur experimentellen Fusionsforschung gaben der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford (1871-1937) und sein Assistent Mark Oliphant (1901-2000), denen es 1934 gelang, Deuterium zu Helium zu fusionieren. Dabei wurde indirekt auch Tritium entdeckt, welches Luis W. Alvarez und Robert Cornog im weltweit ersten Zyklotronbeschleuniger direkt beobachteten.[1][2] Damit waren beide Isotope schweren Wasserstoffs bekannt, die bis heute eine zentrale Rolle bei der Fusionsforschung spielen.

Danach machte die theoretische Fusionsforschung im militärischen Bereich mit der Konzeption der Wasserstoffbombe schnelle Fortschritte.[3] 1954 zündeten die USA die erste H-Bombe auf dem Bikini-Atoll, ein Jahr später folgte die Sowjetunion.[4]

1950er und 1960er Jahre: Die ersten Forschungsanlagen

Kurchatov Institute entrance and monument

Kurchatov-Institut in Moskau (Archivbild)

Im zivilen Bereich waren trotz Jahrzehnte langer Forschung nur langsame Fortschritte zu verzeichnen.

1950 (laut EUROfusion) oder 1951 (laut World Nuclear Association) entwickelten die sowjetischen Wissenschaftler Andrej Sacharow (1921-1989) und Igor Tamm (1895-1971) ein Design für eine Fusionsanlage, die einen magnetischen Einschluss von Plasma ermöglichte. Sie nannten diese → Tokamak (toroidalnya kamera ee magnetnaya katushka = torusförmige Magnetkammer).[5][6] Im gleichen Jahr 1951 wurde im Kurchatov-Institut in Moskau mit ersten Experimenten zur Erwärmung und Erzeugung von Plasma in Ringkernsystemen begonnen.[7]

Im Mai 1951 stellte der US-amerikanische Astrophysiker Lyman Spitzer (1914-1997) der Atomenergiekommission in Washington ein erstes Konzept für eine magnetische Fusionsanlage vom Typ → Stellarator vor. Das Vorhaben wurde Teil des Projekts "Matterhorn", in dem auch die Wasserstoffbombe erforscht wurde. In folgenden Stellarator-Studien führte Spitzer das Konzept weiter aus und wies zugleich auf Diffusions- und Instabilitätsprobleme beim Plasmaeinschluss hin.[8] 1953 wurde in Princeton der weltweit erste Stellarator, Model A., in Betrieb genommen, dem bis 1962 weitere Modelle folgten. Für weitere Details siehe → Models A/B/C (USA)

Im Moskauer Kurchatov-Institut gingen in den Jahren 1958 und 1959 die weltweit ersten Tokamaks T1 und T2 in Betrieb. Für weitere Details siehe → Tokamak T1/T2/T3 (Russland)

In Deutschland wurde 1960 in Garching bei München das "Institut für Plasmaphysik GmbH“ gegründet (später Max-Planck-Institut für Plasmaphysik genannt). Dort wurde zunächst mit einer Vielfalt von Anlagentypen experimentiert: Spiegelmaschinen, Stellaratoren oder sogenannte Pinches. Mit Wendelstein 1-A wurde 1960 ein erster Stellarator konstruiert, dem weitere Modelle folgten. Aufgrund der komplexen Aufbaus stieß man jedoch ohne leistungsfähige Großrechner bald an Grenzen.[9] Es stellte sich heraus, dass die ersten Stellaratoren wegen fehlender Symmetrie ihrer dreidimensionalen Geometrie das Plasma weniger gut einschließen konnten als Tokamaks.[10]

Auf der ersten "Atoms-for-Peace"-Konferenz 1955 in Genf war noch vorausgesagt worden, dass man 20 Jahre später Fusionsenergie kontrolliert freisetzen werde können. Die anfängliche Euphorie wich jedoch bald der Ernüchterung, weil man feststellte, dass man die technischen Herausforderungen unterschätzt hatte. Plasma-Instabilitäten, zu kurze Einschlusszeiten und mangelhafte Wärmeisolation verhinderten zunächst weitere Fortschritte.[4]

1980er bis 2010er Jahre: Fortschrittliche Tokamaks

The JET magnetic fusion experiment in 1991

Der Joint European Torus (JET)

Die Fusionsforschung erhielt erst wieder Auftrieb, als aus dem Moskauer Kurchatov-Institut ein Weltrekord gemeldet wurde: Mit dem → Tokamak T3 wurden 1968 eine Plasmatemperatur von 10 Mio. Grad und eine Einschlusszeit von mehr als 10 Sekunden erreicht. Hintergrund war ein neues Verfahren, bei dem das Plasma durch Magnetfeldspulen und einen im Plasma fließenden Strom in einem ringförmigen Bereich eingeschlossen wird. In der Folge stiegen die meisten Institute in den USA, Frankreich, Japan und Deutschland auf die Tokamak-Forschung um. In den 1970er Jahren entstanden in Amerika, Japan, Europa und der Sowjetunion verschiedene Pläne für größere Tokamaks, mit dem man erstmals größere Fusionsleistungen erzielen wollte.[4][11]

1971 wurden die Rahmenbedingungen für das europäische Gemeinschaftsprojekt Joint European Torus (JET) festgelegt, das aber erst 1983 zum ersten Mal Plasma produzierte. Die Anlage im Culham Science Center in Großbritannien erzeugte 1991 mit einem Deuterium-Tritium-Plasma zum ersten Mal eine Fusionsleistung von 1,8 Megawatt für die Dauer von zwei Sekunden. 1997 gelang es, im JET kurzzeitig eine Fusionsleistung von 13 Megawatt zu erzeugen. 65 % der zur Plasmaheizung verbrauchten Leistung wurde dabei per Fusion zurückgewonnen.[12]Joint European Torus (Großbritannien)

Der Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) in Princeton (USA) wurde 1982 bis 1997 betrieben. Er erlaubte Experimente mit einer Plasmatemperatur von über 100 Mio. Grad; es wurde sogar ein Weltrekord mit 510 Mio. Grad erreicht. 1994 erzeugte die Anlage 10,7 Mio. Watt kontrollierte Fusionsenergie.[13]Tokamak Fusion Test Reactor (USA)

Tore Supra, 2016 in WEST umbenannt, ist eine Anlage im Forschungszentrum Cadarache in Südfrankreich, bei dem auch → ITER errichtet wird.[14] Sie gehört zu den größten Tokamaks und wurde 1988 in Betrieb genommen. 2003 wurde mit einem Plasmaeinschluss von 6 Minuten und 30 Sekunden ein Rekord aufgestellt.[15]Tore Supra/WEST (Frankreich)

Der Break-Even der Kernfusion (Output an Energie größer als Input) konnte bisher mit keinem Tokamak erreicht werden.

Anbei eine Auswahl von Fusionsexperimenten vom Typ Tokamak, die ab 1978 in Betrieb genommen wurden:

Betrieb Name Staat
1978- DIII-D USA
1982-1997 Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) USA
1983- Joint European Torus (JET) Großbritannien
1983-2003 TEXTOR Deutschland
1989- ADITYA Indien
1991- ASDEX Upgrade Deutschland
1992- Tokamak à configuration variable (TCV) Schweiz
1993-2016 Alcator C-Mod USA
1995-2012 HT-7 China
1998- Tore Supra/WEST Frankreich
1999- National Spherical Torus Experiment (NSTX) USA
2006 Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) China
2008- Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) Südkorea
2013- SST-1 Indien
2017- Kazakhstan Tokamak for Material Testing (KTM) Kasachstan
2020- JT-60SA Japan

1990er bis 2010er Jahre: Fortschrittliche Stellaratoren

Fusionsanlage "Wendelstein 7-X" in Betrieb

Fusionsanlage "Wendelstein 7-X" in Betrieb

(veröffentlicht in YouTube am 11. Dezember 2015)

Das → Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) konnte ab 1975 mit den ersten großen Stellaratoren → Wendelstein 7-A und → Wendelstein 7-AS bereits Fortschritte gegenüber älteren Modellen erreichen.

1998 wurde in Japan der Stellarator → Large Helical Device (LHD) im National Institute for Fusion Science (NIFS) mit dem Ziel in Betrieb genommen, einen dauerhaften Betrieb bei der Erzeugung von Fusionsplasma zu gewährleisten.[16] Dieses Ziel wurde bislang nicht erreicht.

Eine Trendwende könnte jedoch der Stellarator → Wendelstein 7-X (Deutschland) einleiten, neben dem Joint European Torus (JET) die weltweit größte Fusionsforschungsanlage. Dem Bau der Anlage vorausgegangen waren mehr als zehn Jahre theoretischer Forschung und computergestützter Berechnung, in denen die für die Plasmastabilität und Wärmeisolierung besten Magnetfelder und die dafür geeignete Form der Magnetspulen gesucht wurden. Wendelstein 7-X nahm nach 21 Jahren Bauzeit und zahlreichen Rückschlägen schließlich 2015 den Betrieb auf. Nachdem bereits 2016 immer höhere Plasmatemperaturen erreicht worden waren,[10] meldete das IPP Im November 2018 neue Rekorde bei Dichte und Energieinhalt des Plasmas sowie Entladungsdauern von bis zu 100 Sekunden.[17] Die Plasmatemperatur konnte auf über 40 Mio. Grad und bei niedrigerer Dichte sogar auf 100 Mio. Grad erhöht werden.[18]

Nach dem Umbau der Anlage soll nach 2020 mit bis zu 30 Minuten langen Plasmaentladungen der Dauerbetrieb und die Kraftwerkstauglichkeit des Anlagentyps Stellarator demonstriert werden.[17]

Anbei eine Auswahl von Fusionsexperimenten des Typs Stellarator, die ab 1975 in Betrieb genommen wurden:

Betrieb Name Staat
1975-1988 Wendelstein 7-A Deutschland
1988-2002 Wendelstein 7-AS Deutschland
1998- Large Helical Device (LHD) Japan
1997- TJ-II Spanien
1997- H1 Heliac Australien
2003-2008 National Compact Stellarator Experiment (NCSX) USA
2015- Wendelstein 7-X Deutschland
2016- HIDRA USA

Weitere Konzepte

Ein weiteres Verfahren, das sich im Versuchsstadium befindet, ist die sogenannte Trägheitsfusion. Hierbei soll, so die Theorie, ein Gemisch aus Deuterium und Tritium durch Laser- oder Teilchenstrahlen zur Zündung gebracht werden. Experimente dazu wurden in der 2009 in Betrieb genommenen Anlage → National Ignition Facility (USA) durchgeführt; eine Kernfusion konnte bislang nicht erreicht werden.[19][20]

Erfolgsmeldungen des US-Rüstungskonzern Lockheed Martin vom Oktober 2014, es sei im Geheimen ein revolutionärer Fusionsreaktor mit 100 Megawatt und einer Größe von nur 7 mal 13 Metern entwickelt worden, der in 10 Jahren marktreif wäre, stießen auf Zweifel bei Experten.[21]

Im August 2015 stellte das kanadische Unternehmen "General Fusion" eine neue Fusionsmethode vor. "Das 65-köpfige Team will mit einem Magnetfeld heißes Plasma aus Wasserstoff erzeugen, das von oben und unten in eine Stahlkugel injiziert wird. In dieser dreht sich ein Strudel aus heißem, geschmolzenen Metall, der das Plasma einschließt". Mittels Kolben und Schockwellen soll dann eine Fusion stattfinden. Ein Reaktor soll in zehn Jahren zur Verfügung stehen.[22]

Ab 2025: Von ITER über DEMO zum Fusionskraftwerk

ITER by drone (Oktober 2019)

ITER by drone (Oktober 2019)

Die größte Neuentwicklung neben → Wendelstein 7-X (Deutschland) ist der Internationale Thermonukleare Experimentalreaktor → ITER (lateinisch: der Weg), eine Kernfusionsanlage, die auf dem Gelände des Forschungszentrums Cadarache in Südfrankreich errichtet wird.[23]

Sie geht auf die Idee des ehemaligen sowjetischen Ministerpräsidenten Gorbatschow zurück, der dem US-Präsidenten Reagan 1985 vorgeschlagen hatte, eine Kernfusionsanlage in internationaler Zusammenarbeit zu entwickeln.[24] Teil des Projekts sind die Europäische Union (EURATOM), Japan, Russland, die USA, China, Südkorea und Indien. Darüber hinaus wurden Abkommen zur technischen Kooperation mit Australien und Kasachstan abgeschlossen.[25]

Die Fertigstellung der im Bau befindlichen Anlage war ursprünglich bis 2020, die komplette Nutzung ihrer Leistungsfähigkeit von 2021 bis 2030 vorgesehen. Bis 2030 sollte laut EUROfusion das Design des geplanten Demonstrationskraftwerks → DEMO entwickelt werden, 2030 waren der Baubeginn und in den frühen 2040er Jahren die Inbetriebnahme geplant. Ab 2050 sollte dann die kommerzielle Stromerzeugung mit Hilfe der Kernfusion starten.[26]

2016 wurden jedoch die Inbetriebnahme von ITER um fünf Jahre auf das Jahr 2025 und der Betriebsbeginn mit Deuterium und Tritium auf 2035 verschoben.[27] Infolgedessen werden sich wahrscheinlich auch Bau und Betrieb von DEMO um Jahre verschieben.

Neben dem von EUROfusion postulierten Projekt DEMO sind aber noch weitere Szenarien nach ITER in Planung:

  • die Fusionsanlage → K-DEMO (Südkorea), die ab 2037 in einer ersten Phase zur Stromerzeugung und zum Komponententest eingesetzt werden, ab 2050 im dauerhaften Betrieb,[30]
  • die Fusion Nuclear Science Facility (USA), die als Tokamak, Spherical Tokamak oder Stellarator ausgeführt werden und der ein DEMO-Kraftwerk folgen soll.[31]

Diese Szenarien gingen 2017 davon aus, dass ein Demonstrationskraftwerk zur Stromerzeugung zwischen 2045 und 2055 zur Verfügung stehen könnte.[31]

Daneben sind seit einiger Zeit Jahren innovative Technologien privater Unternehmen in Entwicklung, die einen schnelleren Weg zur Stromerzeugung durch Kernfusion ebnen sollen: Tokamak Energy Ltd (Großbritannien), Commonwealth Fusion Systems USA), ARPA-E ALPHA program (USA, Start-ups), General Fusion (Kanada), Lockheed Martin (USA) u.a. Ob diese erfolgreich sein werden, bleibt abzuwarten.[32]


(Letzte Änderung: 14.04.2020)

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 1,2 ITER: Who invented fusion? vom 14. Februar 2014
  2. euro-fusion.org: Discovery of D-D fusion vom 6. Februar 2010
  3. Joachim Radkau & Lothar Hahn: Aufstieg und Fall der deutschen Atomwirtschaft. oekom, München 2013. S. 53
  4. 4,0 4,1 4,2 nzz: Der lange Weg zu einem Fusionskraftwerk vom 29. Juni 2005
  5. euro-fusion.org: History of fusion abgerufen am 25. Dezember 2019
  6. WNA: Nuclear Fusion Power abgerufen am 25. Dezember 2019
  7. fire.pppl.gov: Tokamak foundation in USSR/Russia1950–1990 vom 30. Dezember 2009
  8. jspf.or.jp: Highlights in Early Stellarator Research at Princeton vom 22. Oktober 1997
  9. IPP: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik. 50 Jahre Forschung für die Energie der Zukunft von 2010
  10. 10,0 10,1 onlinelibrary.wiley.com: Wendelstein 7‐X im Betrieb - Fusionsforschung mit Stellaratoren vom 2. Januar 2019
  11. ITER: Off to Russia with a thermometer vom 9. Oktober 2009
  12. IPP: Mitarbeit am Joint European Torus JET abgerufen am 28. Dezember 2019
  13. PPPL: Tokamak Fusion Test Reactor abgerufen am 28. Dezember 2019
  14. CEA: Institute for Magnetic Fusion Research abgerufen am 29. Dezember 2019
  15. CEA: THE TORE SUPRA TOKAMAK abgerufen am 29. Dezember 2019
  16. IPP: Japanische Fusionsanlage LHD in Betrieb gegangen vom 31. März 1998
  17. 17,0 17,1 IPP: Erfolgreiche zweite Experimentrunde mit Wendelstein 7-X vom 26. November 2018
  18. IPP: Funken in der Sternenmaschine vom 29. Mai 2019
  19. DPG: Trägheitseinschluss abgerufen am 28. Dezember 2019 (via WayBack)
  20. photonics.com: 1st Successful Ignition Experiment at NIF vom 25. Oktober 2010
  21. Spiegel Online: Saubere Energie: US-Rüstungskonzern meldet Durchbruch bei Kernfusion vom 17. Oktober 2014
  22. n-tv.de: Energiequelle der Zukunft? Kanadier planen Kernfusion mit Dampfkraft vom 17. August 2015
  23. nuklearforum.ch: Iter: erstes Plasma für 2020 geplant vom 25. Februar 2013
  24. ITER: The ITER Story abgerufen am 28. Dezember 2019
  25. ITER: ITER Members abgerufen am 30. Dezember 2019
  26. EUROFusion: Fusion Electricity - A roadmap to the realisation of fusion energy vom November 2012
  27. ITER: What is ITER? abgerufen am 28. Dezember 2019
  28. China Daily: Construction of key fusion reactor facilities begins in Anhui vom 28. Dezember 2019
  29. IAEO: PROGRESS OF THE CFETR DESIGN abgerufen am 20. Oktober 2019
  30. ITER: Korea aims at completing a DEMO by 2037 vom 4. Februar 2013
  31. 31,0 31,1 sites.nationalacademies.org: Worldwide Times for Fusion Energy vom 19. November 2017
  32. intechopen.com: Nuclear Fusion Power Plants vom 6. April 2018
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