Die Kernfusion. Spezialgebiet von Sebastian Stoxreiter. Abb. 1: Zeigt das Plasma in der Magnetfalle eines Kernfusionreaktors.

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1 Die Kernfusion Spezialgebiet von Sebastian Stoxreiter Abb. 1: Zeigt das Plasma in der Magnetfalle eines Kernfusionreaktors.

2 Für uns gläubige Physiker ist die Scheidung zwischen Vergangenheit und Zukunft eine, wenn auch hartnäckige Illusion. Albert Einstein

3 Vorwort Wir leben in einer Zeit, in der, der Grossteil des Weltenergiebedarfs durch fossile Energieträger, wie Erdöl, Erdgas und Kohle gedeckt wird. Die Zeit, da diese Vorkommen erschöpft sein werden, rückt jedoch mit Riesenschritten näher. Experten rechnen damit, dass innerhalb der nächsten 50 Jahre diese Ressourcen aufgebraucht sein werden. Hinzu kommt noch, dass die Anzahl der Menschen auf der Erde, als auch der Energiebedarf je Mensch stetig wächst. Und das in einer Art und Weise die eigentlich zum Nachdenken anregen sollte. Ein Beispiel: Vor 40 Jahren lebten 2,5 Milliarden Menschen auf der Erde und man vermutete, dass die Population unseres Planeten bis in des Jahr 2000 auf 4,5 Milliarden Menschen steigen und der Energiebedarf sich verachtfacht haben würde. Heute können wir feststellen, dass die Weltbevölkerung schon die 6 Milliardenhürde hinter sich gebracht hat und sich der Energiebedarf mehr als verzwanzigtfacht hat. Bis vor Kurzem sah man den Ausweg, in der Energiegewinnung durch die Kernspaltung, also in Atomkraftwerken. Heutzutage versuchen jedoch schon die meisten Industrieländer Alternativen zur Atomenergie zu finden und zu fördern. Das auch mit gutem Grund, denn laut den Berechnungen des amerikanischen Physikers R. F. Post entstehen in einem Atomkraftwerk mit einer Leistung von 1000-MW, in jeder Woche langlebige Spaltprodukte mit einer Gesamtaktivität, die vergleichbar ist mit der Asche von 20 Atombomben des Typs Hiroshima. Würde man den gesamten heutigen Energiebedarf der USA durch Atomkraftwerke stillen, dann würde wöchentlich mehr Radioaktivität entstehen, wie 5000 Atombomben erzeugen. Wenn diese Zahlen jetzt aktuell sind, wie werden sie dann in 100 Jahren aussehen? Bei dem Aufwand, der heute bei der Beseitigung von nur einigen Kilogramm radioaktiver Spaltprodukte erforderlich ist, kann man sich kaum vorstellen, wie unsere späteren Nachfahren mit diesen Mengen fertig werden wollen, ohne dass die Strahlenbelastung der Menschheit bedrohliche Formen annimmt. Eine große Hoffnung ruht auf der alternativen Energiegewinnung. Diese Art Strom zu erzeugen ist aber leider noch lange nicht ausgereift genug um ganze Staaten damit versorgen zu können und wird begleitet von Landschaftsverunstaltung, oder sie ist eine Belastung für die Natur selber, und unbeständig da sie ja wetterabhängig ist. Im Grossen und Ganzen sind Sonnen-, Wasser- und Windenergie der sauberste Weg Strom zu erzeugen, auch wenn vieles noch erprobt, geforscht, entwickelt und verbessert werden muss. Auch unbekanntere Projekte wie Biomasseverbrennung und die Brennstoffzelle machen immer mehr Leute auf sich aufmerksam. Möglichkeiten gäbe es genug. Nur welche ist die Beste? Und vor allem, welche ist die, wirtschaftlich gesehen, effizienteste? In der heutigen Zeit, in der die Strommärkte liberalisiert werden, das Verantwortungsbewusstsein der Menschen gegenüber der Natur wächst und Technik und Wirtschaft die Entwicklung in einer noch nie da gewesenen Geschwindigkeit vorantreiben, ist ungewiss wie die Menschheit ihr Energieproblem lösen wird. Doch seit Mitte des 20. Jahrhunderts gibt es einen Traum in den Gehirnen der meisten Wissenschaftler und Physiker: Die Kernfusion zur Energiegewinnung zu verwenden. Tatsächlich wären all unsere Energiesorgen gelöst, wenn Fusionskraftwerke heute schon Realität wären, denn das Energiepotential übertrifft alle bisherig bekannten Methoden zur Energiegewinnung. Die Strahlenbelastung bei der Kernfusion ist verschwindend gering im Vergleich zur Atomspaltung und der Brennstoff, der für Kernfusions-Reaktoren in Frage kommt, ist im reichlichen Maße vorhanden. Denn diesen Brennstoff findet man überall wo es Wasser gibt. Es handelt sich hierbei um Deuteriumoxyd besser bekannt unter der

4 Bezeichnung schweres Wasser dessen natürlicher Wasseranteil 0,02 Prozent beträgt. Auch die Gewinnung ist verhältnismäßig billig. In einem solchen Kraftwerk könnten in der Zukunft aus einem Gramm Brennstoff ca kwh erzeugt werden. Dies entspricht ungefähr der Verbrennungswärme von 11 t Kohle. Der Energiegehalt des Deuteriums ist wiederum noch etwa zehnmal größer als der des spaltbaren Urans. In einem Liter Wasser steckt auf Grund seines Deuterium-Gehalts genauso viel Energie wie in 300 Liter Benzin. Ein Kubik- Kilometer Meerwasser würde genügen, um den gegenwärtigen Energiebedarf Europas tausend Jahre lang zu decken. Selbst wenn der Energiebedarf der Menschheit um das Tausendfache ansteigen sollte, könnte der im Deuterium- Gehalt der Weltmeere schlummernde Energievorrat nicht in Jahren aufgebraucht werden. Darum kann man die kontrollierte Kernschmelzung als Endlösung aller Energieversorgungsprobleme bezeichnen. Wenn sie gelingt, ist sie fortan und bis zum Ende eines zivilisierten menschlichen Daseins auf der Erde die Energiequelle schlechthin. Abb. 2: Zeigt die vom Menschen 4 häufigsten verwendeten Energieträger im direkten Vergleich in Bezug auf Menge und daraus gewonnene Energie. Wobei die Energieleistung bei allen 4 gleich ausfällt.

5 1.Die physikalische Grundlagen 1.1. Der Masseneffekt Die Basis jeglicher Form von Atomenergie liegt in der weltberühmten Formel Albert Einsteins E = m. c². Die Größe c bedeutet darin die bekannte Lichtgeschwindigkeit; dementsprechend ist c² nichts anderes als ein konstanter Faktor, durch den das Umwandlungsverhältnis der Masse m in die Energie E bestimmt ist. Diese Gleichung drückt also in Symbolen aus, dass Atomenergie nichts Anderes ist, als umgewandelte Masse. Dieses Wissen führt viele Menschen zu der irrigen Annahme, dass der gesamte Atomkern in Energie umgewandelt wird. Doch tatsächlich wird nur ein sehr kleiner Teil wirklich in Form von Energie freigesetzt. Geht man jetzt zum Beispiel von einem Sauerstoffatom mit 8 Protonen und 8 Neutronen aus, insgesamt also 16 Nukleonen, so sollte man meinen, dass man das Gewicht dieses Sauerstoffatoms nur durch 16 zu teilen braucht, um das Durchschnittsgewicht der Nukleonen zu erhalten. In Wirklichkeit ist die aus dem Gewicht berechnete Zahl aber zu klein. Addiert man umgekehrt die einzelnen gemessenen Gewichte von 8 Neutronen und 8 Protonen, so erhält man ein Sauerstoffgewicht, das um etwa 0,85 Prozent über dem wahren Wert liegt. Beim,Zusammenbau geht also Gewicht verloren. Allein dieser kleine Teil wird genügen, um später im Herz eines Fusionskraftwerks, mehrere Hundertmillionen Grad zu erzeugen. Im Allgemeinen bezeichnet man dieses physikalische Phänomen als Massendefekt Massenüberschuss und Bindungsenergie Man kann Atomenergie nur dadurch gewinnen, dass man Atomkerne in eine Form überführt, bei der die Nukleonen leichter als vorher sind, bei der der Massenverlust je Nukleon ansteigt. Man kann nun daran gehen, für die verschiedenen chemischen Elemente, wie Wasserstoff, Helium, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Aluminium, Chlor, Eisen, Kupfer, Silber; Gold, Blei und schließlich Uran, das Gewicht je Nukleon zu berechnen. Dabei wird man immer verschiedene Werte erhalten. Doch wenn man diese in der angegebenen Reihenfolge von den leichtesten bis hinzu den schwersten Elementen fortlaufend in einem Diagramm darstellt, erhält man eine charakteristische Kurve. Sie hat etwa die Form eines Sattels, sie fällt zunächst, beginnend beim Wasserstoff, steil ab, beginnt beim Eisen langsam in die Waagrechte überzugehen, um bei den Kernen mit dem Atomgewicht 50 den tiefsten Wert zu erreichen. Danach steigt die Kurve langsam, aber stetig bis zum Uran hin wieder an. Einzelne Werte weichen zwar etwas von diesem Kurvenverlauf ab, aber im Grossen und Ganzen ordnen sich alle gut ein. Da eine Gewinnung von Atomenergie nur dann möglich ist, wenn bei den dazu notwendigen Kernumwandlungen Atomkerne entstehen, deren Gewicht je Nukleon geringer als vorher ist, müssen alle Kernumwandlungen zur Mitte der Kurve hin, in Richtung der mittelschweren Elementen erfolgen; entweder werden sehr leichte Kerne zu schweren zusammen geschmolzen oder sehr große zu kleineren aufgespalten. Durch zwei grundsätzlich verschiedene Kernprozesse Spaltung und Verschmelzung kann man also Energie gewinnen, sofern man am richtigen Ende ansetzt Physikalische Größen und Einheiten Aus Gründen der Anschaulichkeit operiert man bei Darstellungen und Berechnungen dieser Art jedoch meist nicht mit dem absoluten Atomgewicht, sondern mit dem Massenüberschuss je Nukleon. Dabei sind alle Werte auf den Sauerstoff bezogen, dessen Gewicht gleich 16

6 gesetzt ist. Das Gewicht eines Wasserstoffkerns ist dann ein kleinwenig größer als 1. Den Massenüberschuss je Nukleon, beziehungsweise den Massendefekt, misst man in tausendstel Teilen dieser Masseneinheit und bezeichnet diese Größe als TME. Das in der Atomphysik übliche Energiemaß ist das Elektronenvolt, kurz ev. Das ist diejenige Energiemenge, die ein Elektron gewinnt, wenn es ein Spannungsfeld von einem Volt durchfliegt. Da das einfache Elektronenvolt für die Zwecke der Atomphysik eine viel zu kleine Einheit ist, rechnet man meistens mit MeV, also Mega Elektronenvolt. Natürlich kann man auf Grund Einsteins Formel E = m. c² den Massendefekt, beziehungsweise Massenüberschuss, direkt in Energiegewinn umrechnen. Dabei gilt: 1 TME = 0,931 MeV Dem Massenüberschuss je Nukleon entspricht dann die Bindungsenergie je Nukleon, kurz BEPP genannt. Sie ist jedoch reziprok zum Massenüberschuss definiert, sie nimmt also zu, je kleiner dieser wird. Abbildung 3 zeigt ein Massenüberschuss beziehungsweise BEPP Diagramm für die leichten Atomkerne. Diese ist praktisch nichts anderes als der linke Teil der zuvor in 2.2. geschilderten Kurve. Abb. 3: Massenüberschuss- und Bindungsenergie-Diagramm für die wichtigsten leichten Atomkerne. Nachrechts ist die Massenzahl (Zahl der Neutronen und Protonen zusammen) aufgetragen, nach oben der Masseüberschuss pro Nukleon. Die Bindungsenergie pro Nukleon (BEPP) ist der reziproke Wert des Massenüberschusses. Wenn sich Kerne, die eine geringe BEPP haben, in Kerne mit großer BEPP umwandeln, wird je Masseneinheit Energie frei, die der Höhendifferenz im Diagramm entspricht. Die Buchstaben sind die Symbole der chemischen Elemente. Schaut man sich dieses Diagramm näher an, so wird man feststellen, dass das Helium-Atom völlig aus der Reihe tanzt. Bei gleichmäßigem Verlauf der Kurve sollte der Massenüberschuss für jedes im Heliumatomkern gebundene Nukleon bei etwa 4,5 TME liegen. In Wirklichkeit beträgt es aber nur etwa 1 TME. Das bedeutet, dass alle Kernverschmelzungsreaktionen, die zur Bildung von Heliumatomkernen führen besonders viel Energie liefern und darum in erster Linie für die technische Gewinnung von Kernverschmelzungsenergie in Frage kommen Kernverschmelzung hängt nicht nur von den Massen und Ladungen ab In folgender Tabelle sind alle Kernreaktionen, die unter den leichtesten Atomkernen häufiger stattfinden angeführt. Unter diesen Reaktionen findet man jetzt welche die mehr und welche die weniger Energie bringen. Nun ist die Annahme aber falsch, dass all diese Reaktionen die gleiche Wahrscheinlichkeit haben zustande zu kommen. Zum Beispiel können zwei Protonen direkt miteinander reagieren. Dadurch entsteht ein Deuteron und ein überschüssiges Elektron

7 wird abgestrahlt. Doch die durchschnittliche Wahrscheinlichkeit für ein Zustande kommen einer solchen Reaktion beträgt selbst bei mehreren Millionen Grad mehrere Milliarden Jahre. Daraus wird ersichtlich, dass für das Zustandekommen einer Kernverschmelzung es nicht genügt, dass die Bilanz der Massen und Ladungen übereinstimmt, sondern weitaus komplizierter ist. Unter diesen Reaktionen findet man jetzt welche die mehr und welche die weniger Energie bringen. Am lukrativsten erscheint hierbei die Reaktion Nr. 7, in der man aus einem Lithiumatomkern und einem Deuteron zwei Heliumatomkerne entstehen und 23,7 TME Energie freigesetzt werden. Interessant erscheint dann auch die Kombination der in der Formel Nr.4 und 6 wiedergegebenen Reaktion: Man lässt zunächst ein Triton und ein Deuteron miteinander reagieren(siehe Abb. 4). Es entsteht ein Heliumkern und ein schnelles Neutron, das man dazu verwenden kann, neues Tritium zu erzeugen, indem man es mit Lithium reagieren lässt. Dabei entsteht abermals Helium. Diese Kombination kommt also zu dem selben Energie Gewinn wie die Reaktion Nr.7. In den heutigen Versuchsreaktoren wird hauptsächlich mit der zweiten Variante experimentiert, warum das so ist, ist mir selbst jedoch nicht ganz klar. Auf jeden Fall ist es eine glückliche Fügung, dass die Heliumatomkerne so außergewöhnlich stabil sind und dadurch Kernverschmelzungen ermöglichen, die große Energiebeträge liefern. Kernreaktionen leichter Elemente Nr. Formel der Reaktion Energiegewinn 1 D + D He3 + n + 3,5 TME 2 D + D T + p + 4,3 TME 3 T + T He 4 + 2n + 12,2 TME 4 T + D He 4 + n + 18,8 TME 5 He 3 + D He 4 + p + 19,7 TME 6 Li 6 + n He 4 +T + 4,9 TME 7 Li 6 + D He 4 + He4 + 23,7 TME 8 Li 6 + p He 4 + He4 + 18,5 TME Erklärung: D = Deuterium siehe Abb.5 ( schwerer Wasserstoff, Isotop des Wasserstoffs mit einem zusätzlichen Neutron im Kern) T = Tritium siehe Abb.6 ( überschwerer Wasserstoff, Isotop des Wasserstoffs mit zwei zusätzlichen Neutronen) He = Helium ( Hochzahlen geben das Atomgewicht an) Li = Lithium (Hochzahlen geben das Atomgewicht an) n = Neutron p = Proton ( Kern des Wasserstoffs) Die angegebene Energieeinheiten sind tausendstel Masseneinheiten (TME), bezogen auf O 16 = 16 ( 1 TME = 0,931 MeV).

8 Abb.4: Abb.5: Abb.6: 1.5. Was geschieht bei der Kernfusion? Aus der Elektrizitätslehre ist bekannt, dass Körper mit gleicher elektrischer Ladung, sich von einander Abstoßen. Das gilt auch für Protonen. Andererseits weiß man, dass im Atomkern unter Umständen bis zu hundert Protonen sehr eng beieinander liegen, in einem Raum von einem billionstel Millimeter Durchmesser. Da die elektrischen Abstoßungskräfte mit dem Quadrat der Abstandsverringerung zunehmen, müssen sie in dieser Enge sehr groß sein. Folglich muss es eine zweite wesentlich stärkere Kraft geben, die die Atomkerne zusammen hält. Diese so genannte Kernkraft besitzt eine in der Natur einzigartige Eigenschaft: Sie verändert sich mit der dritten Potenz der Entfernung. Sie wirkt darum praktisch nur auf kurze Entfernungen innerhalb des Atomkerns, dort aber umso kräftiger. Auf der anderen Seite ist sie nicht dazu im Stande auf die Anziehungskräfte, zwischen Atomkern und den um ihn kreisenden Elektronen, Einfluss zunehmen. Was muss also passieren, damit zwei Deuteronen miteinander verschmelzen? Zunächst müssen die elektrostatischen Abwehrkräfte überwunden werden. Erst wenn es gelingt, die beiden Atomkerne sehr nahe zusammenzubringen, schlägt die gegenseitige Abstoßung plötzlich in Anziehung um. Ein klein wenig Masse verwandelt sich in Energie und bewirkt, dass der neue Kern und die übriggebliebenen Nukleonen mit einer Relativgeschwindigkeit von km/h, einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit, auseinander fliegen. In diesem Moment werden mehr Kräfte frei, als ursprünglich bei der Überwindung der Abstoßung aufgewendet werden mussten. Bei diesem Phänomen versucht jetzt die Wissenschaft anzusetzen und es, in diesem Fall friedlich, zu nutzen. Jetzt Stellt man sich natürlich die Fragen: 1. Wie gibt man den Kernen die nötige Geschwindigkeit, also die nötige kinetische Energie, damit sie ihre gegenseitigen Abstoßungskräfte überwinden und miteinander verschmelzen können? 2. Wie soll man die dabei entstehende Energie nutzen?

9 2.Kernfusion im Reaktor 2.1. Zündbedingungen Für die Kernfusion benötigt man sehr hohe Temperaturen, deshalb gehen die Ausgangsstoffe in den sogenannten Plasmazustand über. Beim Plasmazustand handelt es sich um einen vierten Aggregatzustand, nämlich um ein ionisiertes Gas, d.h. ein Plasma besteht aus freien positiven Atomkernen und freien negativen Elektronen. Alltagsbeispiele für so ein Plasma sind z.b. die leuchtende Plasmasäule in Neonröhren, ein el. Funke oder der Plasmafaden eines Blitzes. Durch die Ionisierung des Gases wird es elektrisch leitfähig. Das ist eine Grundvoraussetzung für die künstliche Kernfusion, da das Plasma dadurch in Magnetfeldern festgehalten werden kann.ein Plasma bezeichnet man als gezündetes Plasma, wenn in ihm soviel Energie durch Kernfusion erzeugt wird, daß eine andauernde Fusion selbständig aufrechterhalten werden kann. Für die Zündung des Plasmas sind vor allem drei Bedingungen zu erfüllen: Eine Plasmatemperatur von Millionen C, eine Plasmadichte von 10*14 Teilchen pro cm³, eine Energieeinschlußzeit von 1-2 s. Die Energieeinschlußzeit ist ein Maß für die Güte der Wärmeisolation des Plasmas. 2.2 Die Magnetfalle Das über 100 Millionen Grad heiße Plasma muss von der Wand des Vakuumgefäßes, der sogenannten Ersten Wand ferngehalten werden. Jede Berührung des Plasmas mit der Ersten Wand würde zu augenblicklichem Abkühlen und zum Abriss des Plasmas führen und außerdem zu Schädigungen der Armierung der Ersten Wand führen. Aufgrund des hohen Plasmadruckes sind extrem starke Magnetfelder in der Größenordnung von bis zu 10 Tesla erforderlich. Das Plasma wird durch eine Aneinanderreihung magnetischer Spulen, die aus ökonomischen Gründen aus Supraleitern bestehen und mittels flüssigen Stickstoffs gekühlt werden, eingeschlossen(abb.7). Dabei macht man sich zu Nutze, dass die Plasmateilchen, also die Ionen an die Feldlinien des Magnetfeldes gebunden sind. Diese laufen ständig in spiralförmigen Bewegungen um die Feldlinien. Um zu verhindern dass das Plasma an den Polen des agnetfeldes entweicht verwendet man ringförmige, sogenannte toroidale Magnetfelder. Da die Feldstärke des Magnetfeldes nach außen hin abnimmt, würden die Teilchen durch diese Feldstärkeänderung ständig einen Drift nach außen erfahren und irgendwann gegen die Wand treffen. Um dies zu verhindern verwendet man ein schraubenförmig verdrilltes Magnetfeld(siehe Abb.8). Dieses schraubenförmig verdrillte Feld erreicht man auf zwei unterschiedliche Arten. Abb.8:

10 Abb.7: 1. Durch den Tokamak-Reaktor: Das Starke Felder, von verdrillte Magnetfeld wird hier durch sich zwei supraleitenden Magneten erzeugt, überlagernde Magnetfelder erreicht. Erstens des schließen das torodiale Feld, das durch äußere Spulen erzeugt Fusionsplasma ein. wird. Zweitens das Feld eines im Plasma Die fließenden Stroms. Dieser Strom wird durch Magnetfeldspulen einen Transformator induziert. Zur Fixierung bilden eine der Lage des Stroms im Plasma benötigt der "Tokamak"- Tokamak zusätzlich noch ein vertikales Feld. Konfigruation 2. Durch den Stellarator: Bei diesem Reaktortyp wird die Verdrillung des Feldes nur durch äußere Feldspulen erzeugt. Dies erfordert aber eine sehr komplizierte Anordnung und Aufbau der Feldspulen. Allerdings kommt dieser Reaktor ohne Transformator aus. Bei beiden Reaktortypen werden aber durch Zusammenstöße der Teilchen untereinander trotzdem immer wieder Teilchen nach außen gegen die Wand geschleudert. Dort schlagen sie schwere Atome, z.b. der Elemente Eisen, Nickel heraus. Gelangen diese ins Plasma nehmen sie Energie auf und geben sie in Form von UV-Licht oder Röntgenstrahlen wieder ab, dadurch wird das Plasma stark abgekühlt, was zu einem Erlöschen der Kernverschmelzung führt. Die Kontrolle der Wechselwirkungen zwischen Wand und Plasma zur Erzeugung von sauberen Plasma ist deshalb auch eine große Aufgabe in der Fusionforschung. 2.3 Die Varianten der Plasmaheizung Das Plasma kann nach dem Prinzip des Transformators zunächst durch induzierten Strom bis auf ca. 15 Millionen Grad aufgeheizt werden. Danach versagt diese Heizungsmethode wegen des bei dieser Temperatur verschwindenden Ohm schen Widerstandes des Plasmas. Neben Methoden wie z.b. Neutralteilcheninjektion kann die weitere Aufheizung bis auf über 100 Millionen Grad durch Einstrahlen von Millimeterwellen erfolgen, die an die Frequenz der um die magnetischen Feldlinien rotierenden (in der Fachsprache: gyrierenden) Elektronen oder Ionen angepasst sind. Weiterhin werden Mikrowellen zur Diagnostik und Stabilitätskontrolle des Plasmas eingesetzt. Genaue Beschreibung der drei Methoden: Die Stromheizung: Das Plasma ist elektrisch Leitfähig und besitzt einen gewissen Widerstand. Wird nun im Plasma ein Strom induziert, erzeugt dieser durch den Widerstand Wärme im Plasma. Da der Widerstand aber mit steigender Temperatur abnimmt, ist dieses Verfahren nur für die Anfangsheizung geeignet. Der Strom wird durch einen Transformator induziert. Da der Plasmastrom seine Richtung aber nicht ändern soll, kann immer nur eine Halbwelle der induzierten Wechselspannung ausgenutzt werden, d.h. der Plasmastrom fließt nur pulsweise. Die Hochfrequenzheizung: Die Ionen und Elektronen des Plasmas führen im Magnetfeld verschiedene Eigenschwingungen aus. Wird nun eine elektromagnetische Welle gleicher Frequenz eingestrahlt, können die Teilchen aus dem Feld der Welle Energie aufnehmen und über Zusammenstöße an andere Teilchen weitergeben. Dies führt dann wiederum zu einer Plasmaaufheizung. Die Neutralteilchenheizung: Werden Teilchen mit hoher Bewegungsenergie über einen sog. Neutralteilcheninjektor ins Plasma hineingeschossen geben diese ihre Energie an die Plasmateilchen weiter und heizen somit das Plasma auf. In dem Neutralteilcheninjektor werden zunächst Ionen freigesetzt und beschleunigt. Damit sie von dem Magnetfeldkäfig

11 nicht abgelenkt werden, werden sie dann wieder neutralisiert. Dann werden die neutralen Teilchen ins Plasma geschossen. 2.4 Die Brennstoffnachfüllung Ist das Plasma einmal gezündet, muss natürlich ständig neuer Brennstoff nachgefüllt werden. Dafür gibt es verschiedene Methoden: Gaseinlaß vom Gefäßrand Neutralteilcheninjektion Pelletinjektion: Die Pelletinjektion stellt zur Zeit die aussichtsreichste Art der Brennstoffnachfüllung dar. Dabei wird das Deuterium und Tritium so stark abgekühlt bis es gefriert und Kügelchen von wenigen Millimetern Durchmesser, sog. Pellets geformt werden können. Diese werden dann in Gaskanonen oder Zentrifugen auf 1200 m/s (4-fache Schallgeschwindigkeit) beschleunigt und ins Plasma geschossen. Dabei wird mit einem einzigen etwa 1 mg schweren Pellet bereits 1/3 des Plasmas nachgefüllt. Da durch die Pellets der Brennstoff gezielt an beliebiger Stelle in das Plasma gebracht werden kann, kann man mit dieser Methode auch das Dichteprofil vorteilhaft verändern, sowie bei einem späteren Fusionskraftwerk des Auswaschen der Fusionsasche Helium verbessern. 2.5 Das Fusionskraftwerk Kernstück eines Fusionskraftwerks ist die ringförmige Brennkammer(Abb.7). Sie enthält das Deuterium-Tritium-Plasma. Bis zur Zündung führt eine Startheizung für einige Sekunden eine Leistung von etwa 50 bis 100 MW zu. Ist das Plasma gezündet wird die Heizung wieder abgestellt. Die Fusionneutronen können den Magnetfeldkäfig wegen ihrer Neutralität ungehindert verlassen. Das Plasmagefäß ist von einem lithiumhaltigen Mantel, dem,,blanket" umgeben. Hier erbrüten die auftreffenden Neutronen aus dem Lithium den Fusionsbrennstoff Tritium. Dieses wird dann zusammen mit dem Restbrennstoff der ständig vom Rand des Plasmaraumes entfernt wird, wieder dem Plasma zugeführt. Weiterhin muss natürlich auch ständig Deuterium ins Plasma, sowie Lithium ins Blanket gebracht werden. Die im Plasma freiwerdende Energie wird durch die schnellen Neutronen ins Blanket übertragen und dort mit Hilfe von Wärmetauschern abgeführt. Diese Wärmeenergie wird dann wie bei den üblichen Kraftwerken über Turbinen und Generatoren in elektrische Energie umgewandelt. Der Reaktor muß natürlich zusätzlich noch von einem Schutzmantel gegen die radioaktive Strahlung des Tritiums umgeben sein. Ein Problem beim Fusionsreaktor ist ebenfalls die Aktivierung des umgebenden Materials durch die freiwerdenden schnellen Neutronen. Um möglichst wenig radioaktive Abfälle zu erzeugen, verwendet man im Reaktor hauptsächlich Materialien mit geringem Aktivierungspotential. Bis jetzt ist man zu keiner entgültigen Lösung zur Erhaltung des Brennstoffkreislaufes gekommen. Ungefähr könnte der Kreislauf so aussehen wie in Abb.9. In einem solchen Kraftwerk könnten in der Zukunft aus einem Gramm Brennstoff ca kwh erzeugt werden. Dies entspricht ungefähr der Verbrennungswärme von 11 t Kohle. 2.6 Perspektiven der Kernfusion Wenn man sich das alles durchgelesen hat, so müsste man meinen, dass der Weg zum fertigen Reaktor nicht mehr weit ist. Tatsächlich gibt es auch schon funktionierender Prototypen solcher Fusionsreaktoren, doch wäre es verwegen zu diesem Zeitpunkt schon von Energie aus Fusion zu reden. Dafür gibt es noch zu viele unbeantwortete Fragen, zu viele ungelöste Probleme und zu viele unausgereifte Lösungen. Hinzu kommt noch, dass durch den starken Boom der alternativen Energiequellen die Geldmittel für die Forschung an der Kernfusion

12 gekürzt wurden. Wenn man den Forschern glauben schenken möchte, so sollte in spätesten 50 Jahren der erste Reaktor seinen Strom einspeisen. Bis dahin gilt es aber noch viel zu tun. Trotzdem ist es meiner Meinung nach von höchster Wichtigkeit, eine sichere und saubere Energieversorgung zu entwickeln. Auch wenn ein großes Sparpotential vorhanden ist, das in jedem Fall auch genutzt werden sollte, wird das nicht ausreichen. Indien und China werden auf die Anforderungen ihrer wachsenden Wirtschaft reagieren und es bestehen bereits Programme, die Energieproduktion von heute mindestens zu verdreifachen. Neue Möglichkeiten sind zwingend notwendig, denn wenn der Bedarf wie geplant vor allem mit konventionellen Kraftwerken (also Kohle und Gas) gedeckt wird, ist in Hinblick auf den Treibhauseffekt (aus den Medien für den Moment zwar entschwunden, nichts desto trotz unvermindert präsent) nichts gutes zu erwarten. Deshalb ist meiner Ansicht die Energiegewinnung aus der Kernfusion auch so wichtig für die Menschheit. Denn sollte sie eines Tages wirklich funktionieren, dann wäre das die beste und effizienteste Methode zur Energiegewinnung und zweifellos eine der bedeutensten Errungenschaften der Menschheit. Aber wie heißt es so schön: Die Zukunft steht in den Sternen. Abb.9: Schlusswort Zum Schluss würde ich noch gerne Albert Einstein dafür danken, dass er eine so schöne Einleitung für mein Spezialgebiet geschrieben hat und möchte es ihm deshalb gerne widmen. Weiters möchte ich darauf hinweisen, dass alle grammatikalischen und orthographischen Kreationen und Freiheiten in ihrer Einzigartigkeit von immenser Wichtigkeit sind und darum nicht verändert werden sollen und dürfen. Alle Vervielfältigungen sind zwar nicht urheberrechtlich geschützt, dürfen jedoch nur zum Wohle aller Schüler dieser Welt und nicht gegen sie verwendet werden. Ganz zu letzt danke ich noch der Druckerei Donabauer, die es mir ermöglicht hat diese Arbeit in eben dieser Qualität vorzulegen.

13 Quellenangabe: Bücher / Veröffentlichungen: Wie funktioniert das? Die Technik im Leben von heute; 3. vollst. überarb. Auflage - Mannheim, Wien, Zürich ISBN Kernfusion - Berichte aus der Forschung (Folge 1); Max-Plank-Institut für Plasmaphysik (IPP); ISSN Kernfusion im Forschungsverbund; Forschungsverbund Fusion der Herrmann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungseinrichtungen (HGF) Europhysics News - Volume 29, Number 6; European Physical Society; Springer- Verlag; ISSN Kernfusion statt Atomspaltung, Robert Gerwin, Verlag R. Oldenbourg, München 1959 Internet: : Max-Plank-Institut für Plasmaphysik : Institut für Plasmaphysik - Forschungszentrum Jülich : JET-Projekt : ITER-Projekt Index: Vorwort Die physikalischen Grundlagen Der Massendefekt Massenüberschuss und Bindungsenergie Physikalischen Einheiten und Grössen Kernverschmelzung hängt nicht nur von Masse und Ladung ab Was geschieht bei der Kernfusion? Kernfusion im Reaktor Zündbedingungen Die Magnetfalle Die Varianten der Plasmaheizung Die Brennstoffnachfüllung Das Fusionskraftwerk Die Perspektiven der Kernfusion Schlusswort...12 Quellenangabe...13

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