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Vor- und Nachteile der Energiegewinnung durch Kernfusion

Facharbeit (Schule) 2014 40 Seiten

Energiewissenschaften

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1. Einleitung

2. Grundlagen
2.1 Atome
2.1.1 Atomaufbau
2.1.2 Wasserstoff-Isotope
2.2 Massendefekt
2.3 Kernfusionsprinzip

3. Forschung
3.1 Geschichte der Fusionsforschung
3.2 Erzielte Forschungsergebnisse
3.2.1 Plasmaheizungen
3.2.2 Arten von Kernfusionsreaktoren
3.2.3 Baumaterialien der Wände
3.3 Zukünftige Forschungsrichtungen
3.3.1 Blanket
3.3.2 Magnetspulen
3.3.3 Divertor

4. Vorteile und Nachteile der Kernfusion
4.1 Vorteile
4.1.1 Hohe Energieausbeute und fast unbegrenzte Verfügbarkeit der Brennstoffe
4.1.2 Keine CO2-Emissionen
4.1.3 Kein Entstehen strahlender Materialien durch den eigentlichen Fusionsprozess
4.1.4 Geringer Platzbedarf und Unabhängigkeit des Brennstoffes
4.2 Nachteile
4.2.1 Notwendige Temperaturen und Stabilität des Plasmas
4.2.2 Radioaktive Bauteile durch Neutronenaktivierung
4.2.3 Abhängigkeit von Lithium und Beryllium
4.2.4 Gesamtdauer der Forschung und notwendige Versuche

5. Kernfusion am Beispiel des ITER
5.1 Relevanz und aktuelle Situation des ITER
5.1.1 Momentane Bauphase
5.1.2 Geschichtlicher Verlauf und Finanzierung
5.2 Aufbau und Funktionsweise des ITER
5.3 Ausblick

6. Politischer Ausblick eines Kernfusionsreaktors in Deutschland
6.1 Kernfusionsforschung im Rahmen der deutschen Energiepolitik
6.2 Energieversorgung am Beispiel eines fiktiven, deutschen Kernfusionskraftwerkes

7. Fazit

Quellenverzeichnis

Monographien

Internetquellen

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Vereinfacht dargestellter Atomaufbau, in Anlehnung an Schnabel (o. J.), <https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0110271.htm>

Abbildung 2: Ion mit Elektronenmangel, Schnabel (o. J.), <https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0110271.htm>

Abbildung 3: Ion mit Elektronenüberschuss, Schnabel (o. J.), <https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0110271.htm>

Abbildung 4: Die drei Wasserstoff-Isotope

Abbildung 5: Der Massendefekt beim Heliumkern, in Anlehnung an INFORUM Verlags- und Verwaltungsgesellschaft mbH (o. J.), <http://www.kernfragen.de/kernfragen/physik/02-Der-Atomkern/2-3-Massendefekt.php#id2557789>

Abbildung 6: Kernbindungsenergie (pro Kernbaustein) in Abhängigkeit von der Kernmasse, Wikipedia (2013), <https://de.wikipedia.org/wiki/Massendefekt>

Abbildung 7: D-T-Kernfusion

Abbildung 8: Erreichte Q-Werte, Norajitra (2011), S.

Abbildung 9: Die Neutralteilchenheizung, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (2002), <https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/berichte.pdf>, S.

Abbildung 10: Schematische Darstellung eines Tokamaks, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (2002), <https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/berichte.pdf>, S.

Abbildung 11: Schematische Darstellung eines Stellarators, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (2002), <https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/berichte.pdf>, S.

Abbildung 12: Schematische Darstellung der Wände eines Tokamaks, McCracken / Stott (2012), S.

Abbildung 13: Grafische Darstellung benötigter Temperaturen diverser Fusionspartner, Norajitra (2011), S.

Abbildung 14: Abbremsung des Fusionsneutrons, McCracken / Stott (2012), S.

Abbildung 15: Fusionskammermaterialien und Strahlungsdauer nach Betriebsende des Fusionsreaktors, McCracken / Stott (2012), S.

Abbildung 16: Schematische Darstellung eines Kernfusionskraftwerks, McCracken / Stott (2012), S.

Abbildung 17: Planung des ITER-Geländes, iter 2010, <https://www.iter.org/construction/layout>

Abbildung 18: Geplante Phasen des ITER und DEMO, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (2002), <https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/berichte.pdf>, S.

Abbildung 19: ITER-Tokamak, Karlsruher Institut für Technologie 2012, <https://www.fusion.kit.edu/85.php>

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Wasserstoff-Isotope, in Anlehnung an Wikipedia 2014, <https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoff>

Tabelle 2: DEMO-Material- und Bauweisenkonzepte bzgl. Blanket und Divertor, in Anlehnung an Norajitra (2011), S. 20

1. Einleitung

Die Kernfusion, deren Erforschung zu friedlichen Zwecken im gleichen Jahr wie die Explosion der ersten Wasserstoffbombe Ivy Mike im Jahr 1952 begann, wird unter Wissenschaftlern hoffnungsvoll als „Energie der Sterne“ bezeichnet. Während weltweit viele Länder einen Atomausstieg planen oder durchführen und spätestens nach dem Kyschtym-Unfall (1957), Tschernobyl (1986) und Fukushima (2011) die Gefahren von Atomenergie bei friedlicher Nutzung bekannt geworden sind, können erneuerbare Energien wie Wind-, Wasser- und Solarkraft den steigenden Energiebedarf der Zukunft nicht alleine decken.

Die Kernfusion könnte demnach beim Energiemix der Zukunft eine wichtige Rolle einnehmen. Um feststellen zu können, inwieweit der Einsatz von Kernfusion realistisch und notwendig ist, werden im Folgenden zunächst die Grundlagen der Atomphysik erklärt. Anschließend erfolgt ein Einblick in die aktuelle und zukünftige Forschung, eine Gegenüberstellung von relevanten Vor- und Nachteilen sowie eine Einsicht in den im Bau befindlichen Forschungsreaktor ITER. Zuletzt soll die Möglichkeit eines Kernfusionsreaktors in Deutschland erörtert werden.

Während der gesamten Facharbeit wird dabei vorwiegend die Fusion von Deuterium und Tritium mithilfe des magnetischen Einschlusses betrachtet.

2. Grundlagen

2.1 Atome

Um sich mit der Kernfusion näher beschäftigen zu können, ist zunächst ein grundlegendes Wissen über Atome notwendig. Im Folgenden wird die Beschaffenheit eines Atomes geklärt und danach Wasserstoff-Isotopen aufgezeigt, welche hauptsächlich zur Kernfusion benutzt werden.

2.1.1 Atomaufbau

Abbildung 1 zeigt einen vereinfacht dargestellten Atomaufbau:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Vereinfacht dargestellter Atomaufbau, in Anlehnung an Schnabel (o. J.), <https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0110271.htm>

In der Mitte ist ein sogenannter „Atomkern“ sichtbar, welcher aus Protonen und Neutronen besteht, wobei die Neutronen dafür sorgen, dass sich die Protonen im Kern nicht voneinander abstoßen. Bei einem Atom sind immer gleich viele Neutronen wie Protonen im Kern enthalten.

Um den Atomkern herum befindet sich die Atomhülle, in der sich die Elektronen auf ihren Elektronenbahnen aufhalten. Bei einem Atom ist die Zahl der Neutronen und Protonen identisch. Ist dies nicht der Fall, dann handelt es sich um ein Isotop.

Die Abbildung 2 und Abbildung 3 zeigen solche Isotope:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Ion mit Elektronenmangel, Schnabel (o. J.), <https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0110271.htm>

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Ion mit Elektronenüberschuss, Schnabel (o. J.), <https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0110271.htm>

Auf Abbildung 2 ist ein Ion (keine Elektronen vorhanden) erkennbar, welches nun positive Ladung abstößt und negative Ladung anzieht. Auf Abbildung 3 ist es genau andersherum: mehr negative als positive Ladungen, also zieht das Ion positive Ladungen an und stößt negative ab. Diese Art von Atomen werden Ionen genannt.[1]

2.1.2 Wasserstoff-Isotope

Abbildung 4 zeigt den vereinfachten Aufbau der drei natürlich vorkommenden Wasserstoff-Isotope:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Die drei Wasserstoff-Isotope

„Wikipedia“ beschreibt diese Isotope wie folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Tabelle 1: Wasserstoff-Isotope, in Anlehnung an Wikipedia 2014, <https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoff>

Des Weiteren wird berichtet, dass vor Kurzem weitere Wasserstoff-Isotope nachgewiesen wurden. Hierbei handele es sich um 4H, 5H, 6H und 7H, welche aber aufgrund ihrer extrem kurzen Lebensdauer (< 10−21 s) keine Relevanz für die Anwendung bei Kernfusion haben.[2]

Für die derzeitige Kernfusionsforschung sind die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium von essenzieller Bedeutung, da sie aufgrund ihrer hohen Energieausbeute besonders infrage kommen.

Im Kernfusionsprinzip (siehe 2.3) wird darauf nochmals eingegangen.

2.2 Massendefekt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Der Massendefekt beim Heliumkern, in Anlehnung an INFORUM Verlags- und Verwaltungsgesellschaft mbH (o. J.), <http://www.kernfragen.de/kernfragen/physik/02-Der-Atomkern/2-3-Massendefekt.php#id2557789>

Abbildung 5 zeigt eine Waage, auf deren Seiten zum einen ein gebundener Helium-Atomkern liegt und auf der Gegenseite ein in seine Bausteine zerlegter Helium-Atomkern. Es wird deutlich, dass die Schale mit dem zerlegten Kern schwerer ist, als die des Kerns, der gebunden ist. Zu sehen ist der Massendefekt (auch Massenverlust genannt).

„Der Massendefekt widerlegt die Annahme der klassischen Physik, die Masse bleibe bei allen Vorgängen erhalten.“[3]

Es stellt sich nun die Frage, was mit der fehlenden Masse geschehen ist. Um dies zu klären, dient folgende Rechnung[4] (u entspricht dem Faktor 1,66053892 × 10-27 kg):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Masse Proton: Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Masse Neutron: Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Masse Helium-Atom: Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Heliumkern (Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten) besitzt vier Kernbausteine (dafür die 4 oberhalb und vor „He“), 2 Protonen (dafür die 2 unterhalb und vor „He“) und 2 Neutronen.

Daraus folgt:

Massendefekt = Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Massendefekt = Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Massendefekt = Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten für einen Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten -Kern

„Die Massendifferenz Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten steckt in der Bindungsenergie. Bei der Verbindung von 2 Protonen und 2 Neutronen zu einem He-Kern wird die Bindungsenergie Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten frei.“[5]

Bei der Bindungsenergie handelt es sich um einen Energiebetrag, der in dem gebundenen System vorhanden ist und aus ihm freigesetzt werden kann.

Die Bindungsenergie wird nur bei der Bildung des Systems frei. Wenn das System bereits gebunden ist, ist die Energie nicht mehr verfügbar.[6]

Die Bindungsenergie kann wie folgt ermittelt werden (1 J entspricht 6,24150934 × 1012 MeV):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten = Massendefekt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten = Lichtgeschwindigkeit²

E = Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

E = Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

E = Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

E = Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenJ

E = Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

E = Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten potenzielle Bindungsenergie bei einem Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten -Kern, was bedeutet, dass eine Bindungsenergie von 7,072 MeV pro Nukleon vorhanden ist.

Wie auf der nachstehenden Abbildung 6 zu erkennen, setzt die Fusion von leichten Nukleonen zu weniger leichten die größte Energie frei:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Kernbindungsenergie (pro Kernbaustein) in Abhängigkeit von der Kernmasse, Wikipedia (2013), <https://de.wikipedia.org/wiki/Massendefekt>

2.3 Kernfusionsprinzip

Laut Demtröder in „Experimentalphysik 4“ sei es verlockend, die in der Sonne ablaufende kontrollierte Kernfusion in Fusionskraftwerken auf der Erde nachzubauen.[7] Prinzipiell ist es zwar schon gelungen, eine Kernfusion zu erreichen (in unkontrollierter Weise bei Wasserstoffbomben und kontrolliert in Forschungseinrichtungen), aber dennoch ist es nicht ganz einfach, eine andauernde, kontrollierte Kernfusionsreaktion zu erzeugen. Durch den bisherigen technischen Fortschritt ist es immer noch nicht möglich, Temperaturen von 100 Millionen Grad und mehr für längere Zeit aufrecht zu erhalten. Bei solchen hohen Temperaturen zerfallen die Atome in ihre Bestandteile (positive Ionen und negative Elektronen). Wenn dies geschieht ist von einem Plasma die Rede, im Volksmund auch des Öfteren als „vierter Aggregatzustand“ zu finden.[8]

Ohne diese permanent gewährleistete Temperatur ist es nicht zu vermeiden, dass das Plasma zerfällt, es sei denn, das Plasma erfüllt das Lawson-Kriterium. Dieses besagt, dass die frei werdende Wärmeenergie (Bei der Fusion von D + T die an das Heliumatom gebundenen 3,5 MeV) der Alphateilchen, immer gleich oder größer als die Verlustleistung des Plasmas sein muss, damit das Plasma sich von allein durch die abgegebene Wärmeenergie der Alphateilchen erhalten kann.[9]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: D-T-Kernfusion

Anhand dieses vereinfachten Schemas (Abbildung 7) einer Deuterium-Tritium-Fusion wird erkenntlich, dass durch die Fusion ein Heliumatom erschaffen wird – mit einer erzeugten Wärmeenergie von 3,5 MeV, mit der das Plasma erwärmt wird – und ein Neutron – mit einer kinetischen Energie von 14,1 MeV, die später im Reaktor zum Strom erzeugen genutzt wird.

Des Weiteren muss berücksichtigt werden, dass die Atome, die zur Fusion gebracht werden sollen, den sogenannten Coulombwall überwinden müssen. Der Coulombwall ist nichts anderes als das Potenzial, das erreicht werden muss, damit ein positiv geladenes Teilchen in den ebenfalls positiv geladenen Atomkern gelangen kann. Die Atome müssen also die Coulombkraft überwinden, welche die abstoßende Kraft zwischen den positiv geladenen Kernen ist.[10]

Es gibt verschiedene Verfahrenstechniken, bei denen es erreicht wurde, ein Plasma zu erzeugen. Die Technik und Entwicklung ist jedoch noch nicht auf dem Stand, ein Plasma zu erzeugen, dass das Potenzial hat, einen Energiegewinn zu erzielen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Erreichte Q-Werte, Norajitra (2011), S. 9

Eine wichtige Größe bei Fusionsreaktoren mit magnetischem Einschluss ist dabei der sogenannte multiplication factor Q. Dieser berechnet sich, indem der gesamte Output (Alphateilchen + Neutronen) durch den gesamten Input (Heizleistung) geteilt wird:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wenn ein Q = 1 erreicht ist, wird vom Erreichen des „ break-even point “ gesprochen. Ein Q = ∞ müsste für die selbstständige Entzündung (Lawson-Kriterium) erreicht werden.

Der im Bau befindliche ITER (siehe 5) soll ein Q = 10 (Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten) erreichen.

Ein Q = 20 soll ein noch nicht existierendes, normales Kernfusionskraftwerk erreichen (Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten).[11]

Hieraus wird erkenntlich, dass das Q > 1 sein muss, damit ein Energiegewinn erzielt wird. Die vorstehende Abbildung 8 zeigt hierzu die erreichten Q-Werte unterschiedlicher erfolgter Fusionen. Dabei markiert der rechte gelbe Bereich Fusionen, die ein sehr geringes Q hatten.

3. Forschung

3.1 Geschichte der Fusionsforschung

Die Kernfusion wurde schon im Jahr 1919 durch den Physiker Ernest Rutherford entdeckt. Er hat Stickstoffatome mit Alphateilchen beschossen und als Produkt ein Sauerstoffisotop und ein Wasserstoff-Atom erhalten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Jahr 1928 wurde dann vermutet, dass Sterne ihre Energie aus dem Prinzip der Kernfusion zweier Wasserstoffisotope gewinnen, da sie größtenteils aus Wasserstoff bestehen. Diese Theorie wurde im Jahr 1934 von Ernest Rutherford durch Experimente mit Deuterium und Tritium in seinem Labor bewiesen.[12] Die Kernspaltung wurde erstmalig 1938 im Labor durchgeführt und gelang demnach also erst nach der ersten Kernfusion. Die amerikanischen Forscher interessierten sich besonders für die Energiegewinnung aus der Kernspaltung und es gelang ihnen die erste Atombombe am 16. Juli 1945 in Neu-Mexiko zu zünden. Diese Atombombe hatte eine Sprengkraft von 20.000 Tonnen TNT (Trinitrotoluol) und beruhte auf dem Prinzip der unkontrollierten Kernspaltungskettenreaktion. Das heißt, die Reaktion findet solange statt, bis kein Fusionsmaterial mehr vorhanden ist und somit die Reaktion nicht eigenständig weitergeführt werden kann. Nach der ersten Reaktion ist ein Abbruch der Kettenreaktion nicht mehr möglich.

Sieben Jahre später wurde erstmalig eine Wasserstoffbombe, beruhend auf dem Prinzip der ebenfalls unkontrollierten Kernfusion, gezündet. Diese hatte eine Sprengkraft von 9.100.000 Tonnen TNT und hatte somit die Kraft die Insel, auf der sie gezündet wurde, spurlos verschwinden zu lassen.[13]

3.2 Erzielte Forschungsergebnisse

1991 gelang es Wissenschaftlern in Culham (England) im europäischen Experimentalreaktor JET (Joint European Torus) erstmalig Fusionsenergie freizusetzen. Dazu wurden die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium zu Helium verschmolzen. Um diese Fusion in Gang zu setzen, müssen jedoch gewisse Kriterien erfüllt sein (siehe 2.3). Damals gelang es über einen Zeitraum von zwei Sekunden zwei Megawatt Leistung freizusetzen. Im Jahr 1997 gelang es den Wissenschaftlern 16 Megawatt Leistung freizusetzen, damit wurden 65 % der zur Plasmaerhitzung verbrauchten Energie wiedergewonnen (Q = 0,65). Dies ist bis heute das erfolgreichste Ergebnis, das jemals in einem Kernfusionsreaktor erreicht wurde.

Aufgrund dieser Erfolge wurde das ITER-Projekt gestartet. Das Plasmavolumen ist mit 830 Kubikmetern mehr als zehnmal so groß wie beim Vorgängermodell JET. Auch die erzeugte Energie soll zehnmal so hoch sein wie die Energie, die zur Plasmaerhitzung gebraucht wird. Der Bau dieses Projektes hat 2007 begonnen und soll im Jahr 2020 abgeschlossen sein (siehe auch 5).[14]

3.2.1 Plasmaheizungen

Damit die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium fusionieren können, müssen sie als Plasma vorliegen. Hierfür ist eine Temperatur von zirka 107 °C nötig (siehe auch 4.2.1 und Abbildung 13). Ziel der Forschung dabei ist, dass diese Plasmaheizung nach Erreichen der Fusionstemperatur abgeschaltet werden kann und sich das Plasma in Höhe dieser Temperatur selbstständig aufrecht erhält. Zur Erhitzung des Plasmas stehen allerdings nur die an die Helium-Kerne gebundenen 3,5 MeV zur Verfügung, da das Neutron mit 14,1 MeV das Plasma sofort verlässt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um diese Temperaturen zu erreichen, werden derzeit drei unterschiedliche Plasmaheizungen erforscht und eingesetzt[15]:

1. Die Stromheizung induziert Strom in das elektrisch leitende Plasma. Das ist besonders am Anfang des Aufheizprozesses effektiv, da der Widerstand dort am größten ist. Das Plasma hat in dem Reaktor eine vorgeschriebene Laufrichtung, deshalb kann nicht durchgehend ein Strom induziert werden, sondern nur in Pulsen in Abhängigkeit von der Wechselspannung. Im Fusionsreaktor ITER soll eine Stromstärke von 1,5 x 107 Ampere für zirka 5 Minuten aufrecht erhalten werden können. Vergleichend mit einem sich entladenen Blitz von 10.000 bis 300.000 Ampere ist dies sehr viel.
2. Die Hochfrequenzheizung arbeitet mit elektromagnetischen Wellen, die die sich im Plasma befindenden Ionen und Elektronen in Schwingungen versetzen. Dies tut sie, indem sie die Eigenfrequenzen des Plasmas anspricht, welche bei Ionen zwischen 10 und 100 Megahertz und bei Elektronen zwischen 60 und 150 Gigahertz liegen. Durch diese Schwingungen im Plasma stoßen die Teile öfter aneinander und erzeugen Wärme.
3. In einer Neutralteilchenheizung (Abbildung 9) befinden sich positive Ionen, welche mit zirka 1.000 Kilometern pro Sekunde durch ein Beschleunigungsgitter gesogen werden. Anschließend passieren sie den Neutralisator, damit sie nicht durch die starken Elektromagneten abgelenkt werden, sondern mit hoher Geschwindigkeit in das Plasma fliegen können. Im Plasma wird dann Wärme über Stöße des Atoms mit den Plasma-Ionen und -Elektronen erzeugt. Sollte die Neutralisierung nicht funktionieren, so wird das Ion durch ein magnetisches Ablenksystem an dem Eindringen in das Plasma gehindert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Die Neutralteilchenheizung, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (2002), <https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/berichte.pdf>, S. 15

3.2.2 Arten von Kernfusionsreaktoren

Die am häufigsten verwendeten und am weitesten erforschten Reaktoren beruhen auf dem Tokamak-Prinzip (beispielsweise JET und ITER; siehe Abbildung 10). In ihnen wird ein Magnetfeld durch äußere Magnetspulen erzeugt, welches das Plasma auf seiner Bahn hält. Außerdem wird durch Transformatoren ein elektrischer Stromfluss im Plasma erzeugt, welcher zusätzliche Stabilität sicherstellt und das Plasma aufwärmt (siehe auch Stromheizung). Das Problem liegt allerdings darin, dass die Transformatoren den Strom in Stößen induzieren und deshalb ein Reaktor, der auf dem Tokamak-Prinzip beruht, nur in Pulsen und nicht im Dauerbetrieb arbeiten kann.[16]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Schematische Darstellung eines Tokamaks, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (2002), <https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/berichte.pdf>, S. 16

Eine Alternative zu dem Tokamak-Reaktor ist der Stellarator-Reaktor (siehe Abbildung 11), zum Beispiel Wendelstein 7-X in Greifswald. Durch eine ausgeklügelte Form der äußeren Magnetspulen wird das Plasma ohne zusätzlichen elektrischen Stromfluss auf seiner Bahn gehalten. Es ist aber sehr aufwendig und teuer diese speziell geformten Magnetspulen zu produzieren. Dieser Reaktor-Typ bietet den großen Vorteil, dass er durchgehend betrieben werden kann und nicht nur in Pulsen arbeitet.[17]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Schematische Darstellung eines Stellarators, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (2002), <https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/berichte.pdf>, S. 16

Neben den beiden Reaktortypen gibt es auch noch weitere. Besonders hervorzuheben ist die Laserfusion, zum Beispiel der National-Ignition-Facility-Reaktor in den Vereinigten Staaten. Hierbei wird durch thermische Röntgenstrahlung ein Deuterium-Tritium-Gemisch erhitzt, bis dieses durch hohen Druck und hohe Temperatur fusioniert und Energie freisetzt. Nachteil ist hier aber auch, dass der Reaktor nicht im Dauerbetrieb eingesetzt werden kann, da das Deuterium-Tritium-Gemisch besonders genau ausgerichtet werden muss, damit sich alle Laserstrahlen in einem Punkt bündeln.[18]

3.2.3 Baumaterialien der Wände

Derzeit wird in Kernfusionsreaktoren austenitischer Edelstahl als Wandmaterial eingesetzt. Dies hat aber den großen Nachteil, dass durch Neutronenaktivierung eine starke radioaktive Strahlung auftritt (siehe 4.2.2). Dies erschwert die Wartung und den Austausch von Materialien erheblich. Deswegen wird nach alternativen Baumaterialien gesucht, die zum Beispiel nach Verstrahlung eine geringere Halbwertszeit aufweisen (siehe auch Abbildung 15). Im Folgenden werden drei Möglichkeiten[19] genannt und näher beschrieben:

1. Der martensitische Stahl ist ein Material, das bis zirka 550 °C eingesetzt werden kann und auch zum Beispiel in einem Atomfissionskraftwerk eingesetzt wird. Für gewöhnlich handelt es sich um einen kohlenstoffarmen Stahl mit einem hohen Anteil an Chrom (12 %). Weitere Bestandteile wie Niob und Molybdän sorgen zusätzlich für die Aufnahme der Neutronen, trotzdem ist die relative Strahlung nach Neutronenaktivierung sehr hoch.
2. Vanadium-Legierungen wurden besonders für Fusionsreaktoren untersucht. Diese können jedoch nur bei Temperaturen von 400 bis 650°C verwendet werden, da sie sonst brüchig werden. Bestandteile der Vanadium-Legierung sind Titan, Chrom und Silikon, welche eine geringe radioaktive Strahlung nach Neutronenaktivierung aufweisen.
3. Siliciumcarbid weist die geringste relative Strahlungsintensität der drei Alternativen nach Neutronenaktivierung auf. Außerdem kann es bei Temperaturen bis zu 1.000°C benutzt werden. Unter Strahlung dehnen sich die Siliciumcarbidfasern jedoch aus und die Festigkeit des Materials nimmt ab, sodass nur noch Temperaturen von 800 bis 900°C möglich sind.

3.3 Zukünftige Forschungsrichtungen

3.3.1 Blanket

Blankets sollen in zukünftigen Fusionsreaktoren wie beispielsweise dem ITER zum Einsatz kommen. Abbildung 12 zeigt in der schematischen Darstellung eines Tokamaks den Blanket in gelber Farbe. Sie sind zirka einen Meter breit und umgeben den Fusionsraum, wobei sie drei wichtige Aufgaben[20] übernehmen:

1. Die aus dem Plasma kommenden Fusionsneutronen werden abgebremst. Dabei erzeugen sie Wärme, welche über das Kühlmittel zum Wärmetauscher transportiert wird. Dort wird die Wärme genutzt um Wasserdampf zur Stromproduktion zu erzeugen.
2. Blankets sollen zum Erbrüten von Tritium genutzt werden und bestehen dazu teils aus Lithium (siehe auch 4.2.3).
3. Blankets schützen zusammen mit dem Shield (Farbe weiß) die Magnetspulen vor der Neutronenstrahlung der Fusionsneutronen und der durch Neutronenaktivierung (siehe auch 4.2.2) entstehenden Gammastrahlung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Schematische Darstellung der Wände eines Tokamaks, McCracken / Stott (2012), S. 168

3.3.2 Magnetspulen

Magnetspulen bestehen bislang meist aus Kupfer mit Löchern, durch die Wasser zur Kühlung gepumpt wird. Zukünftige Fusionskraftwerke werden aber mit supraleitenden Spulen (siehe Abbildung 12, Farbe violett) ausgestattet sein, infrage kommen Niob-Titan- oder Niob-Zinn-Spulen. Der Vorteil ist, dass nach dem Einschalten kaum Strom verbraucht wird, da die Magnetspulen ohne Verlust laufen und lediglich eine Pumpe für das Kühlmittel Helium angetrieben werden muss.[21]

3.3.3 Divertor

Das Magnetfeld des Reaktors durchzieht den gesamten Plasmaraum, daher kann das Plasma an die Wände des Reaktors gelangen, wo es verunreinigt wird und Wärme verliert. Um dies zu verhindern werden Divertoren eingebaut. Diese erzeugen ein zusätzliches Magnetfeld, welches die Plasmabahn begrenzt und das Plasma nicht gegen die Wände des Reaktors schlagen lässt, sondern die Alphateilchen zu Divertorplatten am Boden des Reaktors leitet. Dort entsteht ein Neutralgas, welches träge ist und einen höheren Druck aufweist als das Plasma selbst, weshalb es abgepumpt werden kann. Durch einen Divertor wird also der Grad der Verunreinigung im Plasma gesenkt und die Wärmeisolation erhöht.[22]

Die zweite Aufgabe des Divertors ist das Helium, welches bei der Kernfusion als überflüssiges Nebenprodukt entsteht, abzuleiten und anschließend abzupumpen. Dies ist erforderlich, da nicht mehr als 5 bis 10 % „Asche“ in dem Plasma sein dürfen, weil sonst keine Fusion stattfinden kann.[23]

[...]


[1] Vgl. Schnabel o. J., <https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0110271.htm>

[2] Vgl. Wikipedia 2014, <https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoff>

[3] Wikipedia 2013, <https://de.wikipedia.org/wiki/Massendefekt>

[4] Siehe auch Demtröder 2005, S. 26

[5] Konrad o. J., <http://www.ulfkonrad.de/physik/ph-kern-massendef.htm>, Hervorhebung i. Original

[6] Siehe auch Demtröder 2005, S. 26

[7] Vgl. Demtröder 2005, S. 231

[8] Vgl. Ludwig-Maximilians-Universität München o. J., <http://www.usm.uni-muenchen.de/people/lesch/deumas.html>

[9] Vgl. Wikipedia 2013, <https://de.wikipedia.org/wiki/Lawson-Kriterium>

[10] Vgl. Wikipedia 2013, <https://de.wikipedia.org/wiki/Coulombwall>

[11] Siehe auch McCracken / Stott 2012, S. 166

[12] Vgl. Harders o. J., <http://www.energie-info-24.de/Kernfusionsreaktor/>

[13] Vgl. Steinhagener Gymnasium o. J., <http://schulemachtzukunft2011-056.jimdo.com/u4energy/kernfusion/geschichte-der-kernfusion/>

[14] Vgl. Max-Planck-Institut für Plasmaphysik 2013, <https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/fusion_d.pdf>, S. 1 f.

[15] Vgl. Max-Planck-Institut für Plasmaphysik 2002, <https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/berichte.pdf>, S. 13 ff.

[16] Vgl. Max-Planck-Institut für Plasmaphysik 2002, <https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/berichte.pdf>, S. 15 f.

[17] Vgl. Max-Planck-Institut für Plasmaphysik 2002, <https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/berichte.pdf>, S. 16 f.

[18] Vgl. Lawrence Livermore National Laboratory o. J., <https://lasers.llnl.gov/about/nif/about.php>

[19] Vgl. McCracken / Stott 2012, S. 171 f.

[20] Vgl. Karlsruher Institut für Technologie 2012, <https://www.fusion.kit.edu/95.php#top>

[21] Vgl. Max-Planck-Institut für Plasmaphysik 2002, <https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/berichte.pdf>, S. 22 f.

[22] Vgl. Max-Planck-Institut für Plasmaphysik 2002, <https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/berichte.pdf>, S. 25

[23] Vgl. Norajitra 2011, S. 14

Details

Seiten
40
Jahr
2014
ISBN (eBook)
9783656904908
ISBN (Buch)
9783656904915
Dateigröße
2.3 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v293210
Note
1.1
Schlagworte
vor- nachteile energiegewinnung kernfusion

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Titel: Vor- und Nachteile der Energiegewinnung durch Kernfusion