Kernfusion zur Energiegewinnung. Grundlagen und Forschungsprojekte im Bereich der Wirtschaft und Technik

Inhaltsverzeichnis

Abstract

Vorwort

1 Einleitung

2 Aktuelle Energiequellen
2.1 Fossile Brennstoffe
2.1.1 Erdöl
2.1.2 Erdgas
2.1.3 Braun- und Steinkohle
2.2 Erneuerbare Energien
2.2.1 Wasserkraft
2.2.2 Windenergie
2.2.3 Erdwärme
2.2.4 Biomasse
2.2.5 Sonnenenergie

3 Kernfusion
3.1 Grundlagen und der Massendefekt
3.2 Der Tunneleffekt
3.3 Stellare Kernfusion
3.4 Künstliche Kernfusion
3.4.1 Die Brennstoffe
3.4.2 Kernfusionstechniken
3.5 Kernfusion im Reaktor
3.5.1 Der Tokamak-Reaktor
3.5.2 Der Stellarator

4 Forschungsprojekte
4.1 JET
4.2 ITER
4.2.1 Ziele des ITER Projektes
4.2.2 Demonstrationskraftwerk DEMO
4.2.3 Wendelstein 7-X

5 Zukunftsaussichten und Fazit

Abbildungsverzeichnis

Quellenverzeichnis

Printmedien

Online zur Verfügung gestellte Quellen

Abstract

Bereits seit Milliarden von Jahren findet die Kernfusion im Inneren der Sterne statt. Weil diese Umwandlungsprozesse ein hohes Potential mit sich bringen, wird schon seit einigen Jahrzehnten versucht diese Technik für die Menschheit nutzbar zu machen. Diese Arbeit hat sich das Ziel gesetzt, das Prozedere der Kernfusion, sowie die zukünftigen Fehltritte beziehungsweise Errungenschaften im Bereich der Wirtschaft und Technik, darzustellen. Im ersten Teil werden die aktuellen Energiequellen, zu denen fossile Brennstoffe und erneuerbare Energien zugeordnet werden, detailreich erläutert. Anschließend wird das Konzept der Kernfusion mit all seiner Technik beleuchtet. Zum Schluss werden verschiedene Forschungsprojekte, die versuchen Kernfusionstechniken zu optimieren, dargestellt.

Im Fazit wird sowohl auf die Problematik, als auch auf Verdienste der Fusionsforschung eingegangen. Hierbei werden vor allem die vehementen Folgen bei Missbrauch der Technik beschrieben. Radioaktiver Atommüll, Bau von Kernwaffen und enorme Geldausgaben zählen zu den wichtigsten Punkten, die es zukünftig zu überwinden gibt, um eine unerschöpfliche Energiequelle auf der Erde anzuzapfen.

Vorwort

Schon seit geraumer Zeit bin ich von der Welt der Physik und Chemie höchst begeistert. Insbesondere der Aufbau und die Struktur von kleinsten Teilchen, den Atomen, faszinierte mich von Beginn an. Eine Diskussion mit meinem Nachbarn, der ressourcenschonend lebt, veranlasste mich schlussendlich, die Techniken der Physik mit dem Gedanken der Nachhaltigkeit zu kombinieren und mein Thema entstehen zu lassen. Aus Gründen der leichteren Lesbarkeit wird in der vorliegenden VWA die männliche Sprachform bei personenbezogenen Substantiven und Pronomen verwendet. Dies soll Geschlechtsneutralität bedeuten und keinesfalls eine Benachteiligung des weiblichen Geschlechts ausdrücken.

Abschließend möchte ich mich bei meinem Betreuungslehrer und Experten Mag. Markus Platajs, der mir bereits seit fast vier Jahren die Zusammensetzung und Reaktionen von Atomen lehrt und mir bei Fragen immer zur Seite stand, bedanken.

Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Der Großteil des Weltenergiebedarfs wird gegenwärtig aus fossilen Energiequellen gedeckt. Zu diesen Energiequellen, die begrenzt vorhanden sind und vermutlich in den nächsten Jahrhunderten zur Neige gehen werden, gehören Brennstoffe wie Braunkohle, Steinkohle, Torf, Erdgas und Erdöl. Da nun in geraumer Zeit andere Formen der Energiegewinnung erforscht werden müssen, rückt eine der aussichtsreichsten Möglichkeiten, die Kernfusion, ins Rampenlicht.¹

„Die Idee zur Gewinnung von Energie durch Kernfusion stammt aus der Natur. In der Sonne findet dieser Prozess schon seit Milliarden Jahren statt. Dies konnte 1938/39 von Carl Friedrich von Weizsäcker theoretisch nachgewiesen werden. Die Fusionsforschung ist aus der Forschung an der Wasserstoffbombe hervorgegangen. Die Wasserstoffbombe stellt den Beweis der technischen Möglichkeit der Kernfusion dar, allerdings läuft diese Fusionsreaktion unkontrolliert ab.“²

Die folgende Vorwissenschaftliche Arbeit befasst sich mit der Frage, wie effektiv sich diese Art von Energiegewinnung in der Zukunft in Hinblick auf Technologie und Wirtschaft gestaltet. Um beurteilen zu können, inwieweit der Einsatz von Kernfusion in absehbarer Zeit realistisch und konstitutiv ist, wird zunächst eine Zusammenfassung über die aktuellen Energiequellen gezeigt. Anschließend werden die Grundlagen der Kernfusion erklärt und es erfolgt eine Einsicht in den Kernfusionsreaktor ITER. Abschließend wird die derzeitige Problematik mit Kernfusion ausführlich erläutert.

2 Aktuelle Energiequellen

2.1 Fossile Brennstoffe

„Fossile Brennstoffe sind Produkte der Umwandlung urweltlicher pflanzlicher und tierischer Organismen und finden sich in der Natur als Kohlen, Erdöl und Erdgas.“³ Diese organischen Verbindungen, die meist Kohlenwasserstoffe sind, reagieren mit dem Sauerstoff in der Luft und setzten Energie in Form von Wärme frei. Diese entstehende Wärme findet Verwendung in verschiedenen Kraftwerken, wo sie in weitere Energieformen umgewandelt wird.⁴

Der wohl größte Nachtteil von fossilen Brennstoffen ist ihre Endlichkeit. Das bedeutet sie erneuern sich wesentlich langsamer als sie verbraucht werden.⁵ „Schätzungen zufolge stehen uns Uran und Erdgas noch ca. 50 Jahre, Erdöl sogar nur noch bis zu 40 Jahre zur Verfügung. Die Güter werden immer knapper, wogegen der Verbrauch immer mehr steigt.“⁶ Hinzu kommt, dass bei der Verbrennung von Sauerstoff auch Kohlendioxid entsteht, welcher das Weltklima gefährdet.⁷

2.1.1 Erdöl

„Erdöl ist durch tote Pflanzen und Tiere entstanden, welche vor Millionen von Jahren auf den Meeresboden absanken und einen so genannten Faulschlamm bildeten, der sich im anaeroben Zustand langsam zersetzte.“⁸ Dieser Faulschlamm wurde wiederum durch Druck und Wärme in das heutige Erdöl umgewandelt.

Der Abbau von Erdöl erfolgt meist mit Bohrinseln, die über die Ölfelder schwimmen oder mit dem Meeresboden fest verbunden sind.⁹ „An den Bohrturm wird das hohe „Gestängerohr“ aufgehängt, an dessen Ende sich ein Bohrmeißel befindet, der mit Hilfe des Eigengewichts des Gestängerohres ein Loch in die Erde bohrt – solange bis man auf Erdöl stößt.“¹⁰

Der Rohstoff, der auch den Namen „schwarzes Gold“ trägt, wird einerseits zu Mineralölprodukten wie Benzin, Diesel, Heizöl, Kerosin oder Paraffin verarbeitet, andererseits für die Energiegewinnung und als Chemierohstoff verwendet.

2.1.2 Erdgas

Erdgas ist ein brennbares Gasgemisch, das nahezu einen identen Entstehungsprozess wie Erdöl hat. Es entstand in geologischen Zeiträumen aus organischem Material, das zunächst wie das Erdöl in einen Faulschlamm umgewandelt wurde. Nach einigen Jahrmillionen wurde durch Druck und hohe Temperatur schließlich das heutige Erdgas gebildet. Das Gasgemisch, das hauptsächlich aus Methan besteht, ist ungiftig und geruchlos.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung.1: Kompressorstation Rehden

Die Gewinnung von Erdgas, für die kaum Energie verbraucht wird, erfolgt ebenso durch Bohrungen. Abtransportiert wird es vor allem in flüssiger Form von Tankern oder durch sogenannte Kompressorstationen. Hierbei wird mit Hilfe von Druck das Erdgas mittels Pipelines zu den Verbrauchern geleitet.¹¹

„Hinzu kommt noch die problemlose Kombination mit erneuerbaren Energien, was in der nächsten Zeit noch mehr an Bedeutung gewinnen wird. Erdgas eignet sich hervorragend als Wärmelieferant und seit geraumer Zeit sogar auch als alternativer Kraftstoff.“¹² Auch die Verbrennung von Erdgas ist im Vergleich zu anderen fossilen Brennstoffen umweltverträglicher. Somit ist Erdgas wohl in dieser Hinsicht der wertvollste fossile Energieträger.

2.1.3 Braun- und Steinkohle

Kohle entstand aus abgestorbenen Pflanzen und Bäumen, die im Sumpf und Morast versanken. Da diese vom Sauerstoff abgetrennt wurden bildete sich daraus eine torfartige Schicht. Die Torfschicht wurde wiederum von Sand und Ton bedeckt, da das Land stärker absank und von Wasser überspült wurde. Dieser biochemische Inkohlungsprozess, bei dem der Anteil an Kohlenstoff zunimmt, wiederholte sich in den Jahrtausenden immer wieder bis schließlich Kohle entstand.¹³

„Die Braunkohle ist der klimaschädlichste aller fossilen Energieträger.“¹⁴ Hinzu kommt, dass Kohle nicht ewig zur Verfügung steht und deshalb öfters Dörfer oder Stadtteile gezwungen sind umzusiedeln, um die darunter liegende Kohle abzubauen.¹⁵

2.2 Erneuerbare Energien

„Bei erneuerbaren Energien handelt es sich um Energievorräte, die den Menschen unbegrenzt zur Verfügung stehen. Primär zählen zu diesen Wasser, Wind, Sonne, Biomasse und Erdwärme.“¹⁶

2.2.1 Wasserkraft

Wasserkraft ist einer der ältesten Methoden, Energie zu gewinnen, wobei sie heutzutage hauptsächlich für die Stromerzeugung verwendet wird. Diese Art von Energiegewinnung, die größtenteils in Seen und Flüssen von Gebirgen vorkommt, hat im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energien einen großen Anteil an der Weltenergieversorgung.

Ein großer Vorteil der Wasserkraft ist ihre Umweltverträglichkeit. Das bedeutet, es wird kein Kohlendioxid freigesetzt und somit der Natur nicht geschadet.¹⁷ „Der Nachteil der Wasserkraft liegt aber darin, dass in die Natur eingegriffen wird. Dies gilt auch, wenn Stauseen und Staudämme an nicht geeigneten Stellen erbaut werden.“¹⁸ Durch diese Veränderung der Natur ist es zwar möglich eine bessere Wasserkraft zu erhalten, jedoch kann es sein, dass die Landschaft komplett zerstört wird. Nebenbei sind auch Tier- und Pflanzenwelt stark davon betroffen und werden nicht selten ausgerottet.

Die Stromerzeugung durch Wasserkraft erfolgt durch die Umwandlung von kinetischer und potentieller Energie in mechanische Rotationsenergie. Diese Rotationsenergie wiederum treibt im Wasserkraftwerk befindliche Generatoren an, die Strom erzeugen. Somit ist Wasserkraft eine sehr einfache und zugleich kostengünstige Möglichkeit Strom zu erzeugen.¹⁹

2.2.2 Windenergie

„Auch der Wind ist eine sehr alte Form der Energiegewinnung. Schon frühzeitig merkten die Menschen, dass man die Bewegungsenergie des Windes sinnvoll nutzen kann und mahlten beispielsweise das Korn mit Windmühlen.“²⁰

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung.2: Offshore-Windpark

Die Windenergie ist ebenso wie Wasserkraft sehr umweltschonend, wobei die Energiegewinnung stark von einer ausreichenden Windstärke abhängt. Da an den Küstenregionen der Wind wesentlich stärker weht, werden immer mehr Windkraftanlagen am Meer gebaut. Diese Ausbauten, die auch Offshore genannt werden, produzieren deutlich mehr Strom als Windparks auf dem Land.²¹

Die Energiegewinnung durch Wind erfolgt durch einen Rotor, der durch Luftströmungen in Drehung versetzt wird und einen Generator antreibt. Somit kann die im Wind enthaltene mechanische Energie Strom erzeugen und Maschinen antreiben.

Auch die Windenergie bringt einige Nachteile mit sich. Einerseits wird das Landschaftsbild beeinträchtigt, andererseits beschweren sich Anwohner durch Lärmbelästigung.²²

2.2.3 Erdwärme

„Bei der Erdwärme – auch Geothermische Energie genannt – handelt es sich um Wärme, die vom schmelzflüssigen Kern im Erdinneren an die Erdoberfläche dringt, woraus sowohl Wärme als auch elektrische Energie gewonnen werden kann.“²³ Geothermie ist nicht nur nachhaltig, sondern auch unabhängig von Jahreszeit, Klima und Wetter.

Bei der Erdwärme wird dem Erdreich mittels Wärmepumpe die Wärme entzogen und an der Erdoberfläche genutzt. Hierbei gibt es verschiedene Möglichkeiten die Energiequelle der Erde zu nutzen.

Eine Möglichkeit Wärmeenergie zu gewinnen ist durch Erdwärmekollektoren, die ein Bestandteil der Wärmepumpe sind. Gewonnen wird die Wärmeenergie durch Sonneneinstrahlung, Niederschläge und Erdinneres. Eine Sole, aus die der Wärmeträger besteht, nimmt die Wärmeenergie auf. Schlussendlich steigt die Wärme durch ein Kältemittel an und wird an den Wärmespeicher abgegeben.²⁴

2.2.4 Biomasse

Alle organischen Stoffe, durch die Energie gewonnen werden kann, bezeichnet man als Biomasse oder Bioenergie. Hauptsächlich wird sie zur Wärmeerzeugung genutzt. Holz ist hierbei der wichtigste Wärmespender und ist heutzutage einer der bedeutendsten Energielieferanten.

Bei der Verbrennung von Biomasse, wie etwa Holz, wird Wärme freigesetzt. Ebenso kann durch Pressen von Pflanzen Energie gewonnen werden. Diese Möglichkeiten Energie zu gewinnen sind äußerst umweltfreundlich. Außerdem ist Biomasse ein vielseitiger Energieträger. Sowohl Wärme, Strom und Kraftstoff können allein durch Biogas erzeugt werden.²⁵

2.2.5 Sonnenenergie

„Als Sonnenenergie oder Solarenergie bezeichnet man die von der Sonne durch Kernfusion erzeugte Energie, die in Teilen als elektromagnetische Strahlung zur Erde gelangt.“²⁶ Sonnenenergie wird vor allem zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung.3: Photovoltaikanlage

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung.4: Solarthermieanlage

Bei der Stromerzeugung, auch Photovoltaik genannt, wird mit Hilfe von Solarmodulen die Energie der Sonneneinstrahlung in elektrische Energie umgewandelt und meistens gleich vor Ort genutzt. Die sogenannte Solarthermie wiederum ist ein Vorgang, bei dem Sonnenstrahlen in Wärme umgewandelt werden. Anwendung findet dieser Vorgang vor allem in Schwimmbädern zum Aufheizen des Wassers.

Ein großer Vorteil der Sonnenenergie ist ihre Unendlichkeit. Sie wird also immer vorhanden sein und Energie im Überfluss liefern. Außerdem belastet sie keineswegs die Umwelt und spielt eine wichtige Rolle für alle anderen regenerativen Energien.²⁷

3 Kernfusion

„Kernfusion ist die Verschmelzung von zwei leichten Atomkernen zu einem schweren Atomkern, wobei Energie frei wird.“²⁸ Dieser Umwandlungsprozess gilt als Energiequelle der Zukunft und wird wohl in einigen Jahrzehnten auch Strom liefern können. Außerdem wird kein Kohlendioxid emittiert und das Risiko einer Kernschmelze fällt auch weg.²⁹

3.1 Grundlagen und der Massendefekt

Wie schon erwähnt ist Kernfusion ein Vorgang, bei den leichte Atomkerne wie etwa Wasserstoff oder Helium zu schweren Atomkernen verschmelzen.

Die entstehende Energie, die auch bei der Kernspaltung sehr schwerer Atomkerne freigesetzt wird, lässt sich durch den Massendefekt und den unterschiedlichen Kernbindungsenergien der Atomkerne begründen.

Beim Massendefekt, der sich durch die von Albert Einstein erkannte Äquivalenz von Masse und Energie E=mc2 erklären lässt, wird die Differenz der Ausgangsmassen und der Massen der Endprodukte in Form von kinetischer Energie freigesetzt.³⁰ „Die Bindungsenergie eines Atomkerns resultiert aus dem Massenunterschied des gesamten Kerns und der Summe seiner einzeln betrachteten Nukleonen.“³¹ Da die Kernbindungsenergie vom Massendefekt abhängt, entspricht eine größere Bindungsenergie einem großen Massenunterschied.

Die Energie, die pro Nukleon bei einer Kernfusion freigesetzt wird, ist deutlich höher als die bei einer Kernspaltung freiwerdenden Energie.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung.5: Bindungsenergie der Nukleonen

Die obenstehende Grafik zeigt, dass die Bindungsenergie bei Eisen am größten ist. Die Energiegewinnung ist deshalb bei Kernen mit einer geringeren Anzahl an Nukleonen als Eisen nur durch Kernfusion möglich. Bei schweren Kernen, die eine höhere Anzahl an Nukleonen als Eisen haben, erfolgt die Energiegewinnung durch Kernspaltung.

Folglich muss also weniger Brennstoff verwendet werden als bei einem Atomkraftwerk. Nun stellt sich bei vielen die Frage, warum die Kernfusion eigentlich nicht als potenzielle Energiequelle genutzt wird.

Ein Grund dafür ist die Tatsache, dass Atomkerne bei der Fusion die elektrostatischen Abstoßungskräfte zwischen den Kernen überwinden müssen. Erst wenn die Atomkerne sich auf etwa 10-15 m nähern, kann die elektrostatische Abstoßung durch anziehende Kernkräfte überwunden werden.³²

Ein weiteres Problem stellt der Brennstoff Tritium dar. Tritium ist das schwerste Wasserstoff-Isotop und kommt kaum natürlich vor, da es nur eine Halbwertszeit von etwas mehr als 12 Jahren hat. Folglich muss Tritium in Schwerwasserreaktoren künstlich erzeugt werden.³³ „Der Fusionsreaktor wird Tritium mit Hilfe schneller Neutronen aus Lithium schließlich selbst erzeugen können, keiner weiß jedoch, ob die Menge für einen forschen zukünftigen Ausbau der Reaktorlinie reichen wird.“³⁴ Trotz dieser schwierigen Bedingungen arbeiten Wissenschaftler weiterhin daran eine unerschöpfliche Energiequelle anzuzapfen.³⁵

3.2 Der Tunneleffekt

„Fundamental für die Kernfusion ist der Tunneleffekt, der auf der Quantenmechanik und der Heisenbergschen Unschärferelation basiert.“³⁶ Dieser quantenmechanische Effekt besagt, dass ein Teilchen eine unüberwindbare Potentialbarriere durchdringen kann. Das Teilchen „tunnelt“ sich durch diese Potentialbarriere und gibt die Energie wieder ab, die dem Teilchen zuvor zur Verfügung gestellt wurde. Folglich ist es Protonen also möglich den Abstoßungswall von Atomen zu überwinden und somit die Kernfusion möglich zu machen.³⁷

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung.6: Quantenmechanik Tunneleffekt

Nicht nur für die Kernfusion ist der Tunneleffekt verantwortlich, sondern auch in gewisser Hinsicht für das Leben auf der Erde. Der Tunneleffekt sorgt nämlich für Fusionen in der Sonne und ist daher die Quelle der Strahlung der Sonne.³⁸

3.3 Stellare Kernfusion

Grundsätzlich verschmelzen bei der stellaren Kernfusion Atomkerne des Wasserstoffs zu Helium, wobei Energie freigesetzt wird. Zu Beginn der kontrollierten Kernfusion fusionieren zwei Protonen zu den Wasserstoffisotop Deuterium. Folglich verschmelzen die Deuterium-Kerne durch Kollision mit einem weiteren Proton zu einem Heliumisotop. Im letzten Schritt des sogenannten Proton-Proton Prozess entsteht ein Heliumatom aus zwei Helium-3-Kernen und Energie wird freigesetzt.³⁹

3.4 Künstliche Kernfusion

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung.7: Isotope des Wasserstoffs

„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. […]“⁴⁰

Außerdem braucht es Temperaturen von etwa 100 bis 200 Millionen Kelvin, sodass eine künstliche Kernfusion auf der Erde stattfinden kann. Diese Temperaturen werden durch die Überführung der Brennstoffe in ein Plasma erreicht. Ein Plasma entsteht durch die Zufuhr von Energie und besteht, nachdem Elektronen die Atomhülle verlassen, aus freien Elektronen e und positiv geladenen Ionen. Das ionisierte Gas ist elektrisch sehr leitfähig und durch Magnetfelder stark beeinflussbar. Diese Eigenschaften sind essenziell, um hohe Temperaturen bei der künstlichen Kernfusion zu erreichen.⁴¹

3.4.1 Die Brennstoffe

Die Brennstoffe bei der Kernfusion müssen gewisse physikalische Bedingungen erfüllen, um das Verschmelzen der Atomkerne und somit den Energiegewinn möglich zu machen. Dabei sind vor allem die Temperatur und der Druck entscheidend. In der Sonne finden diese Reaktion bei einer Temperatur von etwa 15, 6 Millionen Kelvin und einem Druck von etwa 200 Milliarden Bar statt. Da die künstliche Erzeugung des extremen Drucks auf der Erde jedoch nicht möglich ist, wird die Temperatur enorm gesteigert, um dies zu kompensieren.⁴²

„Wasserstoff ist der Brennstoff in Sternen wie unserer Sonne und benötigt […] die geringsten Temperaturen um eine Kernfusion unter planetaren Bedingungen zu ermöglichen.“⁴³ Die Wasserstoffkernfusion ist die wohl wichtigste Methode, bei der vor allem die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium von entscheidender Bedeutung sind. Deuterium ist ein brennbares Gas und besitzt ein Neutron und ein Proton. Tritium hingegen besteht aus zwei Neutronen und einem Proton und ist deutlich schwerer als Deuterium.

Deuterium kommt gebunden als Deuteriumoxid in Wasser vor und kann daher in unbegrenzten Mengen aus Meerwasser gewonnen werden. Das radioaktive Tritium kommt in der Natur sehr selten vor und hat eine Halbwertszeit von 12 Jahren. Da es Tritium nur sehr selten gibt wird es mit Hilfe von Lithium künstlich hergestellt. Diese Reaktion ist in der folgenden Grafik dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung.8: Produktion des Tritiums

Durch die Fusion von Deuterium und Tritium werden Neutronen frei. Außerdem wird die erste Schicht der Reaktorwand mit Lithium angereichert. Anschließend reduziert sich Lithium, bei Beschuss eines freien Neutrons zu Tritium.⁴⁴

„Einen alternativen Brennstoff stellt das Helium-3 3He dar. Bei der Kernfusion von zwei Helium-3 Kernen 3 He entstehen ein Heliumkern 4He und zwei Protonen 2p. […] Diese Protonen können durch ihre Ladung direkt in elektrische Energie umgewandelt werden.“⁴⁵ 3He ist in hohen Konzentrationen in Mondgestein zu finden, jedoch ist die Gewinnung des Stoffes nicht zulässig. Außerdem bringt die Reaktion zwischen 3He und D etwa gleich viel Energie wie die Fusion zwischen Tritium und Deuterium.⁴⁶ „Die langfristige Planung von Fusionsreaktoren sieht vor, dass die 1. Generation D+T Brennstoffe verwenden, die 2. Generation D+3He und die 3. Generation 3He+3He als Brennstoff verwenden.“⁴⁷

3.4.2 Kernfusionstechniken

Grundsätzlich werden vier Verfahren bei der Kernfusion unterschieden: Die kalte Kernfusion, der magnetische Einschluss, die induzierte Trägheitsfusion und die Kernfusion aus der Teilchenbeschleunigertechnik.

Bei der kalten Kernfusion umgeht man hohe Temperaturen und führt die Reaktion in einer mit Brennstoffen gefüllten Kammer durch. In diese Kammer dringen sogenannte Myonen ein, die Molekülbindungen herstellen. Es folgt eine Kernverschmelzung, bei der Energie frei wird. Da Myonen eine geringe Lebensdauer haben und viel Energie für die Erzeugung dieser Elementarteilchen benötigt wird, haben die kalte Kernfusionen heutzutage keine praktische Bedeutung.⁴⁸

Bei der Kernfusion mit magnetischem Einschluss wird das Plasma durch magnetische Felder wärmeisoliert eingeschlossen. Das jeweilige Gas bestehend aus Deuterium und Tritium wird erhitzt und durch den magnetischen Einschluss von den Reaktorwänden ferngehalten. Andernfalls würde das Plasma bei jedem Kontakt mit der Reaktorwand abkühlen und erlöschen. In dem sogenannten Torus, einer schwebenden Röhre, die von mehreren Spulen umschlossen ist, fließt das Plasma und kann somit eine Temperatur von 100 Millionen Kelvin erreichen.⁴⁹

Einerseits ist der magnetische Einschluss ein wichtiger Faktor zum Erreichen der hohen Temperaturen. Anderseits ist ein einwandfrei funktionierender magnetischer Einschluss nur mit hohem Aufwand möglich.⁵⁰ „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.“⁵¹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung.9: Torus

„Die induzierte Trägheitsfusion bedient sich dem Prinzip der Massenträgheit. Fusionsreaktionen finden in einer sehr kurzen Zeit statt, in der der Brennstoff […] durch seine eigene Massenträgheit zusammengehalten wird.“⁵² Dies wird ermöglicht durch die extreme Verdichtung des Brennstoffs. Hochenergetische Laserstrahlen erhitzen den Brennstoff innerhalb eines Reaktorgefäßes, wodurch die äußere Schicht verdampft und das Innere durch den steigenden Druck stark komprimiert. Letztendlich sind die Dichte und die Temperatur so hoch, dass es zur Kernverschmelzung kommt. Dieses Verfahren kommt in Europa nicht zum Einsatz.

Die letzte Methode ist die Kernfusion aus der Teilchenbeschleunigertechnik, die allerdings nicht zu den erfolgversprechenden Techniken gehört. Die Atomkerne des Deuteriums und Tritiums verschmelzen, indem ein Teilchenbeschleuniger diese wiederholt zum Kollidieren bringt. Durch die Verschmelzung wird wiederum Energie freigesetzt. Das größte Problem dieser Technik ist der hohe Verlust der Energie, die hauptsächlich durch die Energieübertragungen auf Elektronen verlorengeht. Dieses Verfahren zählt nicht zu den erfolgreichsten Techniken und kommt in absehbarer Zeit in Fusionsreaktoren nicht zum Einsatz.

[...]

---

¹ vgl. Meisl, 2003, S. 3.

² vgl. ebd., S. 3.

³ Strauß, 1994, S. 26.

⁴ vgl. ebd., S. 26.

⁵ Vgl. Rudolph, 2005, S. 9

⁶ ebd., S. 9

⁷ vgl. ebd., S.10

⁸ ebd., S. 10

⁹ vgl. ebd., S. 10

¹⁰ ebd., S. 10

¹¹ vgl. Rudolph, 2005, S. 10f.

¹² ebd., S. 11.

¹³ vgl. Rudolph, 2005, S. 11

¹⁴ ebd., S. 11

¹⁵ vgl. ebd., S. 11

¹⁶ ebd., S. 1

¹⁷ vgl. ebd., S. 2

¹⁸ ebd., S. 2

¹⁹ vgl. Rudolph, 2005, S. 2

²⁰ ebd., S. 3

²¹ vgl. ebd., S. 3

²² Umweltdatenbank: Windenergie. 2018 https://www.umweltdatenbank.de/cms/lexikon/49-lexikon-w/1081-windenergie.html [Zugriff: 10. 09. 2018]

²³ Rudolph, 2005, S. 4

²⁴ Energieheld GmbH: Die Sole-Wasser-Wärmepumpe. 2018 https://www.energieheld.de/heizung/waermepumpe/sole-wasser-erdwaerme [Zugriff: 12. 09. 2018]

²⁵ vgl. Rudolph, 2005, S. 6f.

²⁶ Erneuerbare Energie Österreich: Solarenergie. 2018 http://www.erneuerbare-energie.at/sonne/ [Zugriff: 15.09. 2018]

²⁷ vgl. Rudolph, 2005, S. 7f.

²⁸ Meisl, 2003, S. 3.

²⁹ vgl. Dankert, 2014, S. 92.

³⁰ vgl. Meisl, 2003, S. 4.

³¹ ebd., S. 4.

³² vgl. Meisl, 2003, S. 4f.

³³ vgl. Dankert, 2014, S. 93

³⁴ Dankert, 2014, S. 93f.

³⁵ vgl. Meisl, 2003 S. 5

³⁶ Steffen, 2012, S. 8

³⁷ vgl. ebd., S. 8.

³⁸ Cosmos indirekt: Tunneleffekt. 2017 https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Tunneleffekt [Zugriff: 01. 10. 2018]

³⁹ vgl. Steffen, 2012, S. 8f.

⁴⁰ ebd., S. 9

⁴¹ vgl. ebd., S. 9f.

⁴² vgl. ebd., S. 10f

⁴³ Steffen, 2012, S. 11

⁴⁴ vgl. ebd., S. 11f.

⁴⁵ ebd., S. 13

⁴⁶ vgl. Steffen, 2012, S. 13

⁴⁷ ebd., S. 14

⁴⁸ vgl. Meisl, 2003, S. 6f.

⁴⁹ vgl. Steffen, 2012, S. 10

⁵⁰ vgl. ebd., S. 10

⁵¹ Steffen, 2012, S. 10

⁵² Meisl, 2003, S. 7