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12 Mai 2015

Kernengergie mit Fusion

Atome bestehen, wie inzwischen wohl allgemein bekannt ist, aus einem Kern, der von Elektronen umgeben ist. Wenn Atome miteinander reagieren, reagieren die Elektronen und das ist Chemie. Das braucht Energie oder setzt Energie frei. Die Energiemengen sind einige Elektronvolt pro Atom. Wenn Atomkerne miteinander reagieren, nennt man das Kernphysik und die typischen Energiemengen sind Millionen Elektronvolt. Darum ist Kernenergie so viel umweltfreundlicher als chemische Energie, weil sie eine Million Mal konzentrierter ist.
Es gibt zwei mögliche Verfahren, diese gewaltigen Energiemengen nutzbar zu machen:

  • Man spaltet sehr schwere Atomkerne entzwei, oder
  • Man vereinigt zwei sehr leichte Atomkerne zu einem.


Das erste heisst Fission oder Kernspaltung und das ist das, was in den heutigen Kernkraftwerken passiert. Das zweite Verfahren ist als Fusion bekannt. Die Energie der Sonne ist Fusionsenergie.
All das weiss man seit den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts. Die Kernspaltung beherrscht man seit 1942, als Enrico Fermi den ersten sehr einfachen Kernreaktor zum Laufen brachte. Die Fusion lernte man in den frühen 50er Jahren zu „nutzen“ – in den Wasserstoffbomben.
Seit Beginn dieser Entwicklungen träumt man von einer kontrollierten Kernfusion, analog zur kontrollierten Kettenreaktion in einem Fissionsreaktor.
Der Vorteil wäre enorm: im Gegensatz zur Kernspaltung, bei der radioaktive Spaltprodukte entstehen, entsteht bei der Fusion nur Energie. Ausserdem wäre man nicht auf das relativ seltene Uran angewiesen, sondern könnte den im Überfluss vorhandenen Wasserstoff nutzen.
So dachte man. Und man dachte, dass die Fusion die Energiequelle der Zukunft sei. Das ist sie bis heute geblieben, die Energiequelle der Zukunft.
Warum?
Das Problem ist, dass Atomkerne eine positive elektrische Ladung tragen und sich deshalb gegenseitig abstossen. Um diese Abstossung zu überwinden, müssen sie mit hoher Geschwindigkeit auf einander prallen. Das heisst, sie müssen sehr heiss sein – so um die 100 Millionen Grad!
Bei Temperaturen über einigen Tausend Grad oder in einem elektrischen Spannungsfeld verlieren die Atome ihre Elektronen. Das Gemisch von negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Atomkernen heisst Plasma. Ein Plasma hat völlig andere Eigenschaften als ein Gas. Es leitet Strom und es reagiert auf Magnetfelder. In einer Leuchtstoffröhre befindet sich ein Plasma.
Ein Gefäss, das ein 100 Millionen Grad heisses Plasma einschliesst, kann es nicht geben. Also muss man es mit Magnetfeldern einschliessen.
Man versuchte es mit einem langen Rohr, in dem das Plasma entlang der Achse durch ein Magnetfeld zu einem Faden zusammengequetscht wird. Das funktioniert für kurze Zeit aber an den Enden verliert man das Plasma. Was hat keine Enden? Ein Torus, ein Rohr wie ein Pneu. Das löst das Problem, schafft allerdings ein neues: Das Plasma wird instabil. Es lässt sich zusammendrücken wie ein aufgeblasener Luftballon mit blossen Händen: Gar nicht!

Mit raffinierten technischen Tricks glaubt man, das Problem gelöst zu haben.
Es gibt hauptsächlich diese zwei Ansätze: den Tokamak und den Stellerator:

Der Tokamak (TOroidale KAmmer mit MAgnetischer Kompression) löst das Problem durch schiere Grösse. Dabei ist der Plasmaring die Sekundärseite eines gigantischen Transformators und die Heizung auf 100 Millionen Grad besorgt ein überdimensionierter Mikrowellenofen. Tokamak und Stellerator schematisch (Quelle: Helmholz Gesellschaft)

Der Tokamak (TOroidale KAmmer mit MAgnetischer Kompression) löst das Problem durch schiere Grösse. Dabei ist der Plasmaring die Sekundärseite eines gigantischen Transformators und die Heizung auf 100 Millionen Grad besorgt ein überdimensionierter Mikrowellenofen. Zur Zeit ist im Südfranzösischen Cardarache ein Prototyp im Bau, der ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), an dem praktisch alle Industrieländer beteiligt sind. ITER soll um 2027 zum ersten Mal mehr Energie produzieren, als für den Betrieb aufgewendet wurde.

Ein Stellerator, „Wendelstein 7“ wird demnächst im Max Plank Institut für Plasmaforschung in Greifswald in Betrieb genommen. Im Gegensatz zum Tokamak ist er für kontinuierlichen und nicht gepulsten Betrieb ausgelegt dank äusserst raffiniert geführten Magnetfeldern.

Energiestrategie 2050 mit dem Wendelstein7-XWendelstein 7-X (Quelle: Max Plank Institut für Plasmaphysik)

Neben den Projekten mit magnetischem Einschluss gibt es Experimente mit Trägheitseinschluss, vor allem in den USA. Dabei wird mit einer gigantischen Batterie von Lasern auf ein Kügelchen aus gefrorenem Wasserstoff geschossen, um es bei hohem Druck auf einige Millionen Grad aufzuheizen. Das ist gewissermassen die Miniaturversion einer Wasserstoffbombe. Bisher waren die Resultate ernüchternd.
Vor einigen Wochen liess die Firma Lockheed verlauten, ihr Forschungslabor (die berühmten „Skunk Works“) habe einen kompakten Fusionsreaktor in Entwicklung, der auf einem Lastwagen Platz finden werde. Die Fachwelt reagierte skeptisch. So klein kann ein Fusionsreaktor prinzipiell gar nicht gebaut werden, hörte man.
Noch skeptischer ist die Fachwelt gegenüber der „Kalten Fusion“. Vor Jahren verkündeten die Physiker Michael Fleischman und Stanley Pons, sie hätten in einem elektrochemischen System Fusionsreaktionen beobachtet. Allerdings konnte niemand diese Experimente zuverlässig reproduzieren und die wissenschaftlichen Karrieren der beiden fanden ein abruptes Ende.
Wo ist denn das Problem? Es gibt nicht DAS Problem, es gibt mehrere Probleme:
• Unter allen Fusionsreaktionen ist diejenige zwischen einem schweren Wasserstoffkern (Deuterium) und einem überschweren Wasserstoffkern (Tritium) am leichtesten zu bewerkstelligen. Deuterium kommt überall vor wo es Wasser hat, also in unbeschränkten Mengen. Tritium hingegen kommt in der Natur kaum vor. Man muss es herstellen und es ist radioaktiv. Zur Herstellung benötigt man das Metall Lithium, das sehr viel seltener ist als Deuterium.
• Bei der Fusion von Deuterium und Tritium entsteht Helium und ein Neutron mit sehr hoher Energie – 14 MeV, (Millionen Elektronvolt für Eingeweihte). Das ist die Energiequelle, die man nutzen möchte. Man muss die Neutronen unmittelbar ausserhalb des Plasmas abbremsen. Dabei übertragen die Neutronen ihre Energie auf die Wand und heizen sie auf. Dabei muss diese Wand sehr heiss werden, damit die Wärmeenergie mit einem hohen Wirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt werden kann, wenn möglich 700°C. Allerdings sind die supraleitenden Magnetspulen nur Dezimeter von der heissen Wand entfernt. Supraleitend heisst extrem kalt – um die minus 270°C. Da muss eine extrem gute Wärmedämmung her!
• Der Torus, in dem die Magnetfelder das heisse Plasma gefangen halten, ist ein Vakuumgefäss aus einer speziellen Stahllegierung. Diese Stahlwand ist einer sehr intensiver Neutronenstrahlung ausgesetzt, welche die metallurgischen Eigenschaften des Stahls verändert und ihn versprödet, das heisst brüchig macht. Erst ITER wird zeigen, ob der Torus nach wenigen Jahren ausgewechselt werden muss – ein Riesenaufwand – nicht zuletzt, weil die vielen Neutronen im Stahl grosse Mengen des radioaktiven Isotops Co-60 erzeugt haben!
So bleiben lauter Fragezeichen. Es gibt keinen Grund, auf die Fusion zu warten, um Kohlekraftwerke zu ersetzen. Die inhärent sicheren Kernkraftwerke der vierten Generation, allesamt mit Fissionsreaktoren, werden zur Verfügung stehen lange bevor es Fusionskraftwerke gibt.

 Zur Zeit ist im Südfranzösischen Cardarache ein Prototyp im Bau, der ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), an dem praktisch alle Industrieländer beteiligt sind. ITER soll um 2027 zum ersten Mal mehr Energie produzieren, als für den Betrieb aufgewendet wurde.ITER (Quelle: Karlsruher Institut für Technologie)

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