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Kernfusion als Alternative zu fossiler und Atomenergie

Studienarbeit 2012 30 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Energietechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Grundlagen
2.1Der Massendefekt
2.2Berechnung der Energie E am Beispiel eines Heliumatoms
2.3Der Tunneleffekt
2.4Unkontrollierte Kettenreaktion

3. Stellare Fusion

4. Die künstliche Kernfusion
4.1Das Plasma
4.2Der magnetische Einschluss
4.3Brennstoffe
4.3.1Wasserstoff
4.3.2Helium-3

5. Reaktorkonzepte
5.1Der Tokamak
5.2Der Stellarator

6. Forschungsprojekte
6.1JET
6.2ITER
6.2.1Standort
6.2.2Vertragspartner und Finanzierung
6.2.3Daten und Ziele des ITER Projekts
6.3DEMO
6.4Wendelstein 7-X

7. Fazit

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen

1. Einleitung

Diese Arbeit soll die Möglichkeiten und den technischen Stand der Kernfusion aufzeigen. Es werden die physikalischen Grundlagen und die technischen Ansätze betrachtet, die zurzeit verfolgt werden und am erfolgversprechendsten erscheinen. Die technischen Ansätze werden untersucht um ihr Potential für die Zukunft ermessen zu können. Dies wird an Projekten wie der Joint European Torus (JET), International Thermonuclear Experimental Reaktor (ITER), Demonstration Power Plant (DEMO) und dem Wendelstein 7-X dargestellt.

Die Möglichkeit unter planetaren Bedingungen eine Kernfusion zu erzeugen, die verwendet werden kann um die kontinuierliche Versorgung mit Energie sicherzustellen, ist eine Aufgabe, der sich Wissenschaftler weltweit widmen, um die Energieumwandlung aus fossilen Rohstoffquellen und auf Uran basierenden Technologien adäquat ersetzen zu können. Die kontrollierte Kernfusion birgt das Potential die Klima beeinflussenden Emissionen und Abfälle zu reduzieren.

2. Grundlagen

Im Jahr 1919 beschoss Ernest Rutherford erstmals ein Stickstoffatom mit einem Alphateilchen (Heliumrumpf ). Das Ergebnis dieses Versuchs war überraschend, da Rutherford statt den erwarteten kleineren Atomen, Atome des nächsten höheren Elements Sauerstoff entdeckte. Mit den damaligen physikalischen Theoremen konnte Rutherford dieses kernfusionsartige Verhalten nicht nachvollziehen.

Erst mit der Etablierung der Quantenmechanik und der Formulierung der Heisenbergschen Unschärferelation konnten diese Prozesse nachvollzogen werden. Diese beiden Theorien beschrieben die Anomalien des Massendefektes und des Tunneleffektes, mit denen George Anthony Gamow und Ernest Rutherford im Jahr 1928 den Versuch von Rutherford im Jahr 1919 nachvollziehen konnten. [5],[6]

2.1 Der Massendefekt

Bei der Fusion von Elementarteilchen entspricht die Masse des fusionierten Kernes nicht der Summe der Massen der an der Fusion beteiligten Elementarteilchen. Lise Meitner und Max Frisch begründeten diesen Masseunterschied mit der 1905 von Albert Einstein aufgestellten Theorie, die besagt, dass sich Materie in Energie und Energie in Materie umwandeln lässt. Die Gleichung besagt folglich, dass bei der Fusion wie auch bei der Spaltung von Elementarteilchen und Atomkernen Energie frei wird.

Im Februar 1939 veröffentlichte Lise Meitner ihren mathematischen Beweis zum Massendefekt. Ihre Rechnungen basierten auf der praktischen Forschung von Otto Hahn und Fritz Straßmann. [4],[6],[7]

2.2 Berechnung der Energie E am Beispiel eines Heliumatoms

Um das energetische Potential, das in der Kernfusion liegt, zu verdeutlichen, wird im Folgenden die bei einer Proton-Proton-Reaktion freiwerdende Energie berechnet. Die Kernfusionsprozesse in unserer Sonne basieren auf einer Proton-Proton-Reaktion und stellen damit den einzigen natürlichen uns bekannten Kernfusionsprozess dar.

Berechnung der Gesamtmasse der beteiligen Elementarteilchen mges

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei einer Proton-Proton-Fusion wird eine Energie von 29,3 MeV frei.[4]

2.3 Der Tunneleffekt

Fundamental für die Kernfusion ist der Tunneleffekt, der auf der Quantenmechanik und der Heisenbergschen Unschärferelation basiert. Der Tunneleffekt besagt, dass ein Teilchen eine normalerweise unüberwindbare Barriere überwinden kann, indem es sich die dafür notwendige, zusätzliche Energie vorrübergehend aus dem umgebenden System „ leiht “. Ist diese endliche Barriere durchtunnelt, gibt das Teilchen diese zusätzliche Energie wieder ab.

Durch dieses physikalische Phänomen ist es möglich, dass Protonen die herrschende Abstoßungsbarriere der Atome bzw. Elementarteilchen überwinden können und eine Kernfusion möglich wird. Ernest Rutherford konnte dieses Verhalten in einem Experiment, das er im Jahr 1934 in einem Labor durchführte, nachweisen. Er verschmolz dabei die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium zu einem Heliumatom . Die daraus resultierenden Erkenntnisse beeinflussten die zukünftige Forschung auf dem Gebiet der Kernphysik. [3],[7],[9]

2.4 Unkontrollierte Kettenreaktion

Am 01. November 1952 wird auf dem Eniwetokatoll im Pazifik die erste Fusionswaffe zur Detonation gebracht. Die Freisetzung von Energie durch das Verschmelzen von „ leichten “ Atomkernen auf der Erde ist damit praktisch bewiesen. Voraussetzung dafür war die Vollendung der vorangegangener Forschung von Robert Oppenheimer und seinem „ Manhattan Projekt “-Team durch den Physiker Edward Teller und den Mathematiker Stanislaw Ulam. [1],[2],[6]

3. Stellare Kernfusion (Proton-Proton Prozess)

Bei der kontrollierten Kernfusion vollzieht sich die Fusion in 3 Schritten. In dem ersten Schritt fusionieren 2 Protonen p+ unter Abgabe eines Positrons und eines Elektron-Neutrinos zu einem schweren Wasserstoffisotop, dem Deuterium D. Je näher sich zwei positive Teilchen kommen, desto größer werden die Coulombschen Kräfte. Dennoch können durch thermale Energie und dem quantenmechanischen Tunneleffekt diese Coulombschen Barrieren überwunden werden. Auf der Sonne werden dafür Temperaturen von 15 Millionen Kelvin benötigt.

Im zweiten Schritt werden die Deuterium-Kerne durch die Kollision mit einem weiteren Proton p+ zu einem Heliumisotop (Helium-3 ), welches aus 2 Protonen p+ und einem Neutron n besteht, fusioniert. Dabei wird Energie frei unter Abgabe eines Gamma-Quants.

Im dritten Schritt verschmelzen 2 Helium-3-Kerne zu einem stabilen Heliumatom , dabei werden 2 Protonen und eine Energie von 26,2 MeV frei gesetzt (siehe Kapitel 2.2).

4. Die künstliche Kernfusion

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Atomkonfiguration der Wasserstoff Isotope [15]

Da die Proton-Proton-Prozesse in der Sonne zu lange dauern, als dass sie technisch auf der Erde dupliziert werden können, muss auf der Erde mit dem vorprozessierten Deuterium D und Tritium T gearbeitet werden um ein stabiles Plasma zu erzeugen, das zur Umwandlung in Strom genutzt werden kann. Des Weiteren müssen auf der Erde Temperaturen zwischen 100- 200 Mio. Kelvin erzeugt werden um eine künstliche Kernfusion zu ermöglichen, da die Druckverhältnisse der Sonne auf der Erde technisch nicht simuliert werden können.

Bei der Reaktion von Deuterium D und Tritium T Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenwird ein Neutron frei, das einen Teil der freiwerdenden Energie (14,1MeV) in die Reaktorwand übertragen kann. Dort wird die kinetische Energie dieses Neutrons in Wärmeenergie und letztendlich in elektrische Energie umgewandelt. Bei dieser Kernfusion wird rund 3 Millionen Mal mehr Energie frei als bei dem Knallgasversuch, bei dem Wasserstoff H und Sauerstoff O zu Wasser H2O oxidiert werden.

4.1 Das Plasma

Um die für einen Kernfusion auf der Erde benötigten hohen Temperaturen zu erreichen, müssen die an der Kernfusion beteiligten Brennstoffe in ein Plasma überführt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Plasma-Entladung in einem Tokamak Reaktor Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Ein Plasma ist ein Gas, das durch die ständige Zufuhr von Energie elektrisch leitend wird. Dadurch werden Elektronen aus den Atomen gerissen, die sich dann als freie Elektronen in dem Gas bewegen. Das Plasma besteht dann aus freien Elektronen e, Ionen und neutralen Atomen. Überwiegen Elektronen und Ionen in dem Gas, spricht man von einem Plasma. „Aufgrund der Existenz frei beweglicher Ladungsträger ist das Plasma durch elektrische und magnetische Felder beeinflussbar“. Diese physikalischen Eigenschaften macht man sich bei der künstlichen Kernfusion zunutze um die hohen Temperaturen zu erreichen“.[11]

4.2 Der Magnetische Einschluss

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Torus [12]

Beim Einschließen von Plasma in einem herkömmlichen Behälter würde das Plasma ständig erlöschen, da es bei Kontakt mit Materie schlagartig auf wenige 1000 Kelvin abgekühlt wird. Um das Plasma auf die benötigte Temperatur von 100 Mio. Kelvin zu erhitzen, wird es aus diesem Grund magnetisch und somit berührungslos eingeschlossen. Dieses Prinzip nennt man magnetischer Einschluss.

Durch den magnetischen Einschluss wird das Plasma von den Reaktorwänden fern gehalten. Dabei werden die geladenen Teilchen im Plasma durch Magnetfelder in einen „schwebenden“ Ring, dem sogenannten „Torus“, gehalten. Nur so können Temperaturen von über 100 Mio. Kelvin erreicht werden. Diese hohen Temperaturen werden benötigt um ein D+T Plasma zu „zünden“ und so die Kernfusion zu ermöglichen.

Für die Wissenschaftler bedeutet der magnetische Einschluss Fluch und Segen zu gleich. So ist der magnetische Einschluss eine Voraussetzung dafür, dass die Temperaturen erreicht werden, bei denen eine Kernfusion möglich wird, gleichzeitig ist ein gleichmäßiger und stabiler magnetischer Einschluss jedoch nur mit hohem Aufwand zu ermöglichen. Das Unterbrechen des magnetischen Einschlusses stellt zugleich einen Sicherheitsaspekt beim Betrieb von Fusionsreaktoren dar, da bei Versagen der magnetischen Eindämmung der Fusionsprozess sofort unterbrochen wird.

4.3 Die Brennstoffe

Für die Kernfusion werden Atome benötigt, die zu neuen Atomen verschmelzen können. Dafür muss der Brennstoff die physikalischen Bedingungen erreichen, die zum Verschmelzen von Atomkernen benötigt werden.

Das Verschmelzen von Atomkernen läuft in unserer Sonne bei hohe Drücke und Temperaturen von rund 15,6 Mio. Kelvin ab. Die Drücke im Kern der Sonne von 200 Milliarden Bar sind technisch auf der Erde jedoch nicht zu erzeugen, deshalb muss der Druck durch höhere Temperaturen kompensiert werden (siehe Prinzip des Schnellkochtopfes). Die im Zentrum der Sonne herrschende Temperatur von rund 15,6 Mio. Kelvin muss dafür auf der Erde um den Faktor 7-13 gesteigert werden . So werden zum Beispiel für die Fusion von Wasserstoffkernen (Deuterium/ Tritium) rund 100 Mio. Kelvin benötigt. Beim Fusionieren von Atomkernen höherer Ordnung nimmt zwar die potentielle Fusionsenergie, die am Ende als nutzbare Energie zur Verfügung steht, zu, jedoch steigt gleichzeitig auch die dafür benötigte Temperatur exponentiell an, da bei Atomen höherer Ordnung die Abstoßungskräfte der Atomkerne zunehmen. (siehe Abb. 4)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Bindungsenergie der Atome in Abhängigkeit von der atomaren Massenzahl A

Für eine Kernfusion eignen sich grundsätzlich alle Elemente unterhalb des Eisenatoms b diesem Element muss für die Fusion zusätzlich Energie bereitgestellt werden um die Kerne fusionieren zu lassen, was keinen energetischen Gewinn mehr zulässt.

4.3.1 Wasserstoff

Wasserstoff ist der Brennstoff in Sternen wie unserer Sonne und benötigt betrachtet die geringsten Temperaturen um eine Kernfusion unter planetaren Bedingungen zu ermöglichen. Eine Wasserstoffkernfusion ist die am weitesten verbreitete Methode das „Fusionsfeuer“ zu entzünden und für die Stromerzeugung nutzbar zu machen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Gegenüberstellung der Wasserstoff Isotope

Deuterium und Tritium sind Isotope des Wasserstoffs (siehe Tabelle 1), die sich lediglich durch die Anzahl der Neutronen unterscheiden und doch unterschiedliche physikalische Eigenschaften besitzen. Ein Deuterium-Tritium- Brennstoff Gemisch mit einer Masse von 1 Gramm kann in einem Fusionskraftwerk eine Energie von 88960 KWh liefern. Das entspricht 10,93t Steinkohleeinheiten (SKE). Zum Vergleich: Ein 3-Personen Haushalt in Deutschland benötigt im Jahr durchschnittlich 3900 KWh (Stand 2010).

Deuterium ist ein geruchloses und brennbares Gas, das gebunden als Deuteriumoxid in Wasser vorkommt. Jeder Liter Wasser 1H2O enthält rund 0,02g Deuteriumoxid 2H2O. Bei Tritium handelt es sich um ein instabiles Element, was auf der Erde nur im begrenzten Maße zur Verfügung steht und eine Halbwertzeit von 12,32 Jahren hat. Schätzungen zur Folge gibt es weltweit rund 3,5 kg Tritium. Das ist der Grund, warum Tritium künstlich im Reaktor erbrütet werden muss. Diese Reaktion ist in Tabelle 2 dargestellt.

Bei der Fusion von D+ T werden hochenergetische Neutronen frei, die benutzt werden um Tritium aus reinem Lithium zu erbrüten. Indem die Blankets (engl. Blanket = Schicht; die erste Schicht der Reaktorwand) der Reaktoren mit Lithium 7Li oder Beryllium 9Be angereichert werden, ermöglicht man eine autarke Versorgung mit Tritium, da sich diese beiden Stoffe bei Beschuss mit freiwerdenden Neutronen zu Tritium reduzieren lassen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Blanket Material

Um das 7Li oder 9Be in der Reaktorwand in Tritium umzuwandeln, wird eine Energie von 2,74 MeV (7Li) bzw. 1,57 MeV (9Be) benötigt. Diese Energien müssen die Neutronen abgeben um die Atomkerne zu spalten. Da diese Energie nicht mehr für die Energiegewinnung zur Verfügung steht, muss sie bei der Betrachtung der Energiebilanz berücksichtigt werden. 7Li und 9Be dienen im Reaktor demnach als Neutronenvervielfältiger um das benötigte Tritium für die Kernfusion zur Verfügung zu stellen. Die Prozesse können durch die Konzentration der Elemente im Blanket beeinflusst und eingestellt werden. Zudem umgeht man durch das Erbrüten von Tritium im Reaktor m die Zufuhr des Brennstoffs von außen, dessen Kontrolle und Einspeisung zusätzliche Steuerung und Regelung bedürfen würden.

Die freiwerdenden hochenergetischen Neutronen stellen eine enorme Anforderung an die verwendeten Materialien in der Reaktorkammer dar, da sie stark beansprucht werden. Ferner kommt es bei dem Erbrüten von Tritium aus Lithium zu einer radioaktiven Kontamination der Reaktorkomponenten. Sie müssen nach außer Dienst stellen des Reaktors rund 100 Jahre strahlengeschützt zwischen gelagert werden um die Strahlungswerte unter die derzeitigen Höchstgrenzen abklingen zu lassen.

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