Brauchen wir die Kernfusion?
18. Juli 2008 | Von Rudolf Kipp | 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.
- Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP)
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 (Beachte: Größenverhältnis unten rechts im Bild); Quelle ITER, http://www.iter.org/
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
Das JET-Projekt (Vorläufer des ITER)
Institut für Energieforschung (IEF) Jülich
