Brauchen wir die Kernfusion?

18. Juli 2008 | Von | Kategorie: Artikel, Blog, Kernenergie

Selbstverständlich brauchen wir Kernfusion, werden jetzt sofort viele sagen. Schließlich stellt sie die Energie zur Verfügung, die unsere Sonne „befeuert“ und damit das Leben auf unserem Planeten erst möglich gemacht hat.

Die Sonne „nutzt“ dabei die Tatsache, dass bei der Verschmelzung von zwei Wasserstoffkernen zu Helium riesige Energiemengen freigesetzt werden. Dieser Prozess läuft im inneren der Sonne bei für uns unvorstellbaren Bedingungen ab. Die Temperatur beträgt 15 Mio. °C und der Druck liegt bei 350 Mio. bar. Solch extreme Verhältnisse sind erforderlich, um die zur Kernschmelze notwendige Energie aufzubringen.

Seitdem dieses Prinzip entdeckt worden ist, fasziniert es Forscher und wissenschaftliche Laien gleichermaßen. Eröffnet sich doch zumindest prinzipiell die Möglichkeit, sehr viel Energie bei geringem Verbrauch von Ressourcen produzieren zu können. Gerade jetzt, wo uns die Begrenztheit der Rohstoffe zur Energieproduktion immer deutlicher vor Augen geführt wird, wird es zunehmend interessant nach alternativen Energiequellen Ausschau zu halten. In nicht zu ferner Zukunft könnte die Kernfusion eine davon sein.

Die Zügelung des Sonnenfeuers

Aber wie kann man einen Prozess, der solch extreme Bedingungen erfordert, überhaupt auf der Erde verwirklichen? Da vor allem die enormen Drücke nicht technisch realisierbar sind, muss bei noch höheren Temperaturen von 100 – 200 Mio. °C gearbeitet werden. Erst dann reicht die Energie, um Wasserstoffkerne zum Verschmelzen zu bringen. Diesen Temperaturen hält kein uns bekanntes Material stand. Abhilfe schafft hier ein Prinzip, dass von Russischen Wissenschaftlern vor mehr als 50 Jahren entwickelt wurde. Der Tokamak. Das ist ein Torus-förmiger Fusionsreaktor, der von supraleitenden Magnetspulen umgeben ist. Im inneren dieses Torus kann dann das aus elektrisch geladenen Teilchen bestehende Plasma in Schwebe gehalten werden.

Um überhaupt ein solches Plasma zünden zu können, müssen die dazu notwendigen Temperaturen zunächst durch Zuführen von Energie von außen erreicht werden. Bei den Temperaturen von über 100 Mio. °C ist dieser Energiebetrag nicht unerheblich. Bei allen bisher betriebenen Forschungsreaktoren, wie z.B. Anlage ASDEX Upgrade am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching, war diese Energiemenge größer, als die durch die Fusion gewonnene Energie. Das liegt vor allem an der zu geringen Größe der Reaktoren. Die bislang beste Energieausbeute konnte bisher am Versuchsreaktor JET in Großbritannien mit einer Energieverstärkung von 0,6 erreicht werden. Das bedeutet, dass 60% der zugeführten Energie im Plasma erzeugt werden konnten. Ab Werten von Q>1 hat man also einen Netto-Energiegewinn.

Der erste Energieliefernde Fusionsreaktor

Mit den bislang gewonnen Erfahrungen wurde der Grundstock für den ersten Energieliefernden Versuchsreaktor geschaffen. Der International Tokamak Experimental Reactor (ITER) soll 10mal mehr Energie liefern, als zur Erzeugung des erforderlichen Hochtemperaturplasmas benötigt wird. Dieser international finanzierte Versuchsreaktor entsteht zur Zeit im südfranzösischen Cadarache. Die Kosten für den Bau belaufen sich auf etwa 5 Mrd. € und für den Betrieb noch einmal auf etwa den gleichen Betrag. Die Inbetriebnahme ist für 2016 geplant. Bei einem Plasmavolumen von 850 m³ soll eine Fusionsleistung von 500 MW erreicht werden. Als Brennstoff dienen Deuterium („schwerer Wasserstoff“) und Tritium („superschwerer Wasserstoff). Diese verschmelzen zu einem Heliumkern und einem Neutron.

D + T → He4 + n

Dabei wird pro Reaktion eine Energie von 17.6 MeV oder 2.8 10-12 J frei, die sich als kinetische Energie auf den Heliumkern (alpha-Teilchen 3.5 MeV) und das verbleibende Neutron (14.1 MeV) verteilt.

Querschnitt durch den ITER Fusionsreaktor

Deuterium kann direkt aus so genanntem schweren Wasser gewonnen werden, welches zu einem Prozentsatz von 0,015% in natürlichem Wasser vorkommt. Tritium kann durch Beschuss von Lithium mit Neutronen gewonnen werden. Dieser Vorgang soll direkt im Fusionsreaktor unter Ausnutzung der dort entstehenden Neutronen stattfinden.

Die Wirtschaftlichkeit der Kernfusion

Ein großer Vorteil der Kernfusionstechnik ist die weltweite Verfügbarkeit der benötigten Kernbrennstoffe. Dadurch kann die Abhängigkeit von politisch instabilen Staaten, welche bei den fossilen Brennstoffen Öl und Gas eine große Rolle spielen, reduziert werden. Ein weiterer wichtiger Punkt sind die sehr großen Mengen, in denen diese Stoffe in der Natur vorkommen und der daraus resultierende geringe Preis. Um 1000 Liter Öl zu ersetzen, benötigt man nur etwa 75 mg Deuterium und 225 mg Lithium. Die Kosten für diese Brennstoffe liegen selbst bei heutigen Laborpreisen unter 10 Cent (analog 1000 Liter Öl). Die Stromerzeugunskosten werden also im Wesentlichen von den Bau- und Betriebskosten eines Reaktors bestimmt. Unter der realistischen Annahme, dass diese Kosten etwa das Doppelte eines Kernspaltreaktors betragen, sind also Stromerzeugungskosten von ca. 6 Cent/KWh zu erwarten. Bei vorhersehbar steigenden Preisen für Primärenergie wie Öl, Gas und Kohle sicher eine verlockende Aussicht.

Umwelt und Sicherheit

Auch unter Berücksichtigung von Umweltaspekten, wie Entstehung von radioaktiven Abfällen und Reaktorsicherheit, schneidet die Kernfusion überraschend gut ab. Ein Unfall verglichen mit einer Schmelze in einem konventionellen Kernkraftwerk ist ausgeschlossen. Die Bedingungen zum Aufrechterhalten des Plasmas müssen so präzise eingehalten werden, dass eine Störung im Betriebsablauf zum sofortigen Erlöschen des Plasmas führt. Radioaktiver Abfall wird lediglich aus belasteten Strukturteilen zu erwarten sein. Langfristig sieht man sogar die Möglichkeit, Menge und Aktivität der entstehenden radioaktiven Stoffe durch geeignete Materialentwicklung ganz erheblich zu vermindern. Eine nahezu vollständige Wiederverwertung des Abfalls könnte möglich werden.

Zukunft

Die im ITER Projekt gewonnen Erfahrungen sollen als Grundlage für die Entwicklung von weitaus leistungsfähigeren Fusionsreaktoren genutzt werden. Zeitlich versetzt soll parallel das Projekt DEMO vorangetrieben werden, bei dem ab ca. 2030 ein größeres und leistungsfähigeres Plasma betrieben werden soll. DEMO wird eine Fusionsleistung von etwa 3000 MW haben und damit etwa 1000 MW elektrische Leistung ins Netz speisen. Dies ist die typische Größenordnung heutiger Großkraftwerke. Neben dem hier vorgestellten Prinzip des Tokamak werden noch weitere Ansätze zur Nutzung der Kernfusion verfolgt. Ebenfalls erfolgversprechend ist hier das Prinzip des Stellators, bei dem das Plasma in einem kompliziert verdrillten Torus eingeschlossen wird. Für ein Fusionskraftwerk könnten Stellaratoren eine technisch einfachere Lösung sein als Tokamaks. In Deutschland forscht das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik an diesem Prinzip und wird 2014 mit „Wendelstein 7-X“ den weltweit größten Versuchsreaktor dieses Typs in Greifswald fertig stellen.

Bis alle technischen Fragen gelöst sind und die Kernfusion wirklich zur Energieerzeugung genutzt werden kann, ist also noch ein weiter Weg zu gehen. Allerdings ist die Aussicht auf eine Energiequelle, die nahezu unbegrenzt verfügbar ist, kaum radioaktive Abfälle erzeugt und im Betrieb absolut sicher ist, ganz bestimmt ein guter Grund, die Erforschung mit Hochdruck voranzutreiben.

Brauchen wir also Kernfusion? Angesichts des vorhersehbaren Energiemangels durch die weiter fortschreitende Industrialierung könnte sie auf jeden Fall in der Zukunft einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung leisten.

Mehr Links zum Thema:

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Homepage des ITER-Projektes

Das JET-Projekt (Vorläufer des ITER)

Institut für Energieforschung (IEF) Jülich

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6 Kommentare
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  1. Radioaktiver Abfall wird lediglich aus belasteten Strukturteilen zu erwarten sein. Langfristig sieht man sogar die Möglichkeit, Menge und Aktivität der entstehenden radioaktiven Stoffe durch geeignete Materialentwicklung ganz erheblich zu vermindern.

    Allerdings ist die Aussicht auf eine Energiequelle, die nahezu unbegrenzt verfügbar ist, kaum radioaktive Abfälle erzeugt und im Betrieb absolut sicher ist, ganz bestimmt ein guter Grund, die Erforschung mit Hochdruck voranzutreiben.

    Für mich ist die Diskussion um die Kernfusion durch 2 grundsätzliche Punkte eine sehr zweifelhafte Sache. Der wichtigere zuerst: es ist mir völlig egal ob ich radioaktive Abfälle nur für 1 Millarde oder 100.000 oder auch nur 1.000 Jahre endlagern muss um halbierte Strahlungsleistung zu erhalten. Das letze Mal als ich mich damit beschäftigt hatte, sprach man optimistisch über 6.000 Jahre (hab die Quelle verbummelt). Ich zweifle nicht an das solche Zahlen erreicht werden können aber ich fühle mich für dumm verkauft wenn irgendein für 4 Jahre gewählter Politiker oder irgendwelche Wissenschaftler mir dreist was von „risk managment“ erzählen und wie sicher man solchen Abfall einlagern kann. Mensch… 1.000 (!) Jahre…vor 3.000 Jahren gabs schonmal Hochkulturen…ich glaube ganz einfach nicht das der Mensch in der Lage ist IRGENDwelche Risiken zu „managen“ die in solchen Zeiträumen liegen — das ist schlicht Humbug. Das schlechte an meiner Position ist, das dies nicht widerlegbar und damit ein Glaube ist 😉 … aber dazu stehe ich 🙂

    Zweiter Punkt: in 30 Jahren blubb…blubb…das erste Mal das ich gehört habe das es ca. 30 Jahre dauert bis die Kernfusion funktioniert, war irgendwann in den 70 er Jahren. Das Schema erinnert mich an die Peak-Oil Diskussion (seit den 70ern wird erzählt/belegt das Erdöl noch 30 Jahre hält…mindestens) und ist in nichts glaubwürdiger. Beides war unter Wissenschaftlern die nicht in beiden Bereichen tätig waren, ein running gag auf dem Gang zur Kantine („Haste gehört, die „Erdölkonstante“ ist wieder gefunden worden…30 Jahre“, genauso mit der „Fusionskontanten“).

    Ich denke wir brauchen gar keine „neuen“ Wege, alles was wir brauchen wissen wir heute -- alle nicht-regenrativen Primärenergieträger sind eben DAS: nicht regenerativ in menschlichen Zeithorizonten und damit erschöpflich. 100% regenerative Versorgung ist machbar. Wieso Risiken eingehen, die die ganze Menschheit bedrohen (Atomkraft meine ich, inklusiv des ungelösten Endlagerproblems, das gilt leider auch für die Fusion). Lieber die Gelder und die grauen Zellen dafür aufwenden das wir schlaue Wege finden, die regenerativen in bestehende Netzstrukturen zu integrieren bzw. neu Netzstrukturen zu etablieren wenn das notwendig ist. Die Reihenfolge ist doch eh andersrum (von der Logik her):

    1. wähle die Energie, die du nutzen willst
    2. schaffe die Möglichkeit diese Energie zu erzeugen
    3. ermögliche die Verteilung

    Also, die Geschichtsbücher kennen wir (fossil, zentrale Grosskraftwerke, heutige Netze). Wenn ich 1. mit „EE“ beantworte, komt bei 2. heraus: vielfältger Mix, dezentral in der Fläche eben wo die Energie anfällt und bei 3. jedenfalls nicht das bestehende Netz. Da gibt es keinen sooo grossen Überlapp/Synergie. Also müssen wir Lösungen propagieren, die den EE gerecht werden. Dazu ist noch viel notwendig, aber nichts völlig neues/unbekanntes — und alls machbar, heute.

    Ansonsten fand ich den Artikel eigentlich recht informativ 🙂

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  3. Brauchen wir die Kernfusion?

    NEIN, wenn das kWh von PV ab ca. 2 Cent/kWh heute bereit steht.

    Saudi-Arabien plant Rekord-Solaranlage

    Mit einem 200 Milliarden US-Dollar schweren Solarprojekt will sich Saudi-Arabien unabhängig vom Öl machen.
    Der Kronprinz und Vizepremier des Landes, Mohammed bin Salman, unterzeichnete eine Vereinbarung das, bis 2030 die größte Sonnenenergieanlage der Welt zu bauen.
    Die Kapazität des Mammutprojekts soll 200.000 Megawatt betragen.

    Damit wäre die Anlage 100-mal größer als die Solarprojekte, die derzeit als die weltgrößten gelten: das bereits genehmigte Helios-Kraftwerk in Griechenland und das angekündigte Projekt Bulli Creek in Australien. Beide sollen jeweils eine Spitzenleistung von 2.000 Megawatt haben.

    Das ist nur ein Projekt in Saudi-Arabien mit über 50 % der gesamten Kernkraftleistung weltweit.

    MfG

  4. Rudolf Kipp schreibt am 18. Juli 2008
    Dieser international finanzierte Versuchsreaktor entsteht zur Zeit im südfranzösischen Cadarache. Die Kosten für den Bau belaufen sich auf etwa 5 Mrd. € und für den Betrieb noch einmal auf etwa den gleichen Betrag. Die Inbetriebnahme ist für 2016 geplant.

    Nun ist heute 2018 und der ITER wird frühestens 2025 fertig, eine leichte Fehleinschätzung von Herrn Rudolf Kipp die er da 2008 vom Stapel gelassen hat.

    Ursprünglich sollte die Anlage 5 Mrd. Euro kosten und 2016 den Betrieb aufnehmen.
    Kurze Zeit später ging man von 2019 und 15 Mrd. Euro aus.

    ITER-Organisation gibt ja keine Kostenschätzungen mehr ab, aber da reichen keine 20 Mrd. €, das ist auch klar.

  5. Udo, aber ganz schnell zurück auf den Baum 😉

  6. Die „Verstrahlen“ basteln ja seit über 50 Jahre an der Kernfusion.

    Und die Jungs und Mädchen beim ITER basteln seit ca. 2007 auf der Baustelle in Frankreich herum.

    Und ich nutze bereits seit über 20 Jahren die Energie der Kernfusion, also seit ca. 1996 und das kWh kostet mich Heute genau 0,00 Cent/kWh an der eigenen Steckdose.

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