Die Ausstellung Energietechnik

Transkript

1 Walter Bube, Sylvia Hladky, Roland Reger, Max Schmidt Die Ausstellung Energietechnik im Deutschen Museum Eine Handreichung zum Physikunterricht in der Jahrgangsstufe 10 WISSEN VERTIEFEN im Deutschen Museum

2 Aufbau der Atome Atome sind die kleinsten, chemisch nicht weiter teilbaren Teilchen eines Elementes. Sie bestehen aus einem elektrisch positiv geladenen Atomkern, den elektrisch negativ geladene Elektronen umkreisen. Die Elektronenhülle des Kohlenstoffatoms hat einen Durchmesser von etwa m. Der Durchmesser des Atomkerns beträgt nur 1/ des Atomdurchmessers. Der Atomkern setzt sich aus elektrisch positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen zusammen. Die Anzahl der Protonen bestimmt die chemischen Eigenschaften des Elementes. So enthalten beispielsweise alle Atomkerne des Kohlenstoffs 6 Protonen. Die Anzahl der Protonen nennt man Kernladungszahl. Die Anzahl der Neutronen bestimmt die kernphysikalischen Eigenschaften des Elementes, z.b. seine Spaltbarkeit. Die Atomkerne eines Elementes können sich in der Anzahl der Neutronen unterscheiden. Atomkerne mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl, bezeichnet man als Isotope eines Elements. Die Summe aus Protonen- und Neutronenzahl heißt Kernmassenzahl. Nach den Gesetzen der Elektrostatik stoßen sich Teilchen mit gleicher Ladung ab. Diese Abstoßung wirkt auch zwischen den Protonen des Atomkerns. Es muss also eine zusätzliche Kraft geben, die größer ist als die Abstoßungskraft. Die mit dieser Kernkraft verbundene Energie heißt Kernbindungsenergie. Ihre Reichweite ist auf den Durchmesser des Atomkerns beschränkt. Massendefekt und Energiefreisetzung Energie aus Kernspaltung Vergleicht man die Massen der Ausgangsprodukte einen Uran-235- Atomkern und ein Neutron mit den Massen der Endprodukte, z.b. einen Barium-144-Atomkern, einen Krypton-89-Atomkern und drei Neutronen so stellt man fest, dass die Endprodukte leichter sind. Der Massenunterschied hat sich nach der Einsteinschen Beziehung Δ E = Δ m c 2 in Bewegungsenergie der Endprodukte umgewandelt. Bei jeder Spaltung eines Uran-235-Atomkerns werden durch den Massenunterschied zwar nur etwa Ws an Energie frei. Bei der Spaltung von l g Uran summiert sich das aber zu einer Energie von kwh. Energie aus Kernfusion Bei der Verschmelzung von Deuterium (H-2) und Tritium (H-3) sind die Endprodukte Helium-4 und ein Neutron leichter als die Ausgangsprodukte. Bei jeder Verschmelzung eines Deuterium-Atomkerns mit einem Tritium-Atomkern werden ca. 2, Ws an Energie frei, bei der Bildung von l g Helium folgen daraus etwa kwh an freiwerdender Energie. Stark vereinfachtes Modell eines Kohlenstoffatoms Kohlenstoffatomkern mit 6 Protonen und 6 Neutronen Ausgangsprodukte Uran Neutron Massendifferenz bei der Kernspaltung Weitere Informationen finden Sie im Infosystem»Kernenergie«unter dem Stichwort»Wie sind Atomkerne aufgebaut?«. Kernmassenzahl 12 6 C Kernladungszahl Endprodukte Barium Krypton Neutronen 25

3 Radium-226 sendet ein Alpha-Teilchen aus und verwandelt sich dadurch in Radon-222. Cäsium-137 wandelt sich unter Aussenden von Beta-Strahlung in Barium-137 um. Barium-137 befindet sich in einem angeregten Zustand und gibt seine überschüssige Energie als Gamma-Strahlung ab. Kernzerfall und Radioaktivität 1896 stellte Henri Becquerel fest, dass das Element Uran spontan und ohne äußere Einflüsse Strahlen aussandte, die eine Photoplatte schwärzten. Er hatte den radioaktiven Zerfall von Atomkernen entdeckt: Die Kerne bestimmter Atomsorten (Nuklide) wandeln sich ohne äußere Einwirkung in andere Atomkerne um. Bei den folgenden stark vereinfachten Betrachtungen werden die Vorgänge in der Hülle nicht berücksichtigt. Die bei einer Kernumwandlung freigesetzten Teilchen bzw. die freigesetzte elektromag - netische Strahlung bezeichnet man als natürliche radioaktive Strahlung. Man unterscheidet im Wesentlichen drei Arten von radioaktiver Strahlung: α-alpha-strahlung Beim Alpha-Zerfall sendet der Atomkern ein sog.»alpha-teilchen«aus: Es besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Radium-226 emittiert beispielsweise ein Alpha-Teilchen und verwandelt sich dadurch in Radon-222. β-beta-strahlung Beim Beta-Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton und ein Elektron um. Das Proton bleibt im Atomkern, während das Elektron den Kern als Beta-Strahlung verlässt. Cäsium-137 wandelt sich unter Aussenden von Beta-Strahlung in Barium-137 um. γ-gamma-strahlung Einige der Atomkerne, die aus radioaktiven Zerfällen entstanden sind, besitzen»überschüssige«energien. Sie geben diese Energie als Strahlungs-Quanten, d.h. als»wellenpakete«ab. Barium-137 befindet sich in einem angeregten Zustand und gibt seine überschüssige Energie als Gamma-Strahlung ab. Bei einem einzelnen radioaktiven Atomkern kann man nicht vorhersagen, zu welchem Zeitpunkt er zerfällt. Betrachtet man aber eine große Anzahl von Atomkernen, dann kann man die Wahrscheinlichkeit angeben, mit der eine bestimmte Anzahl von Kernen nach einer bestimmten Zeit zerfallen sein wird. Die Zeit, nach der die Hälfte der Atomkerne zerfallen ist, nennt man Halbwertszeit. Sie kann zwischen Bruchteilen von Sekunden und Millionen von Jahren liegen. Jede radioaktive Atomkernsorte besitzt eine charakteristische Halbwertszeit. Bei Jod-131 beträgt sie 8 Tage, d. h. nach jeweils 8 Tagen ist die Hälfte der Ausgangsmenge vorhanden. Weitere Informationen finden Sie im Infosystem»Kernenergie«unter dem Stichwort»Was ist Radioaktivität?«. 26

4 3.2 Energie aus Kernspaltung 2002 waren in Deutschland 19 Kernkraftwerke mit einer elektrischen Leistung von rd MW in Betrieb. Der Anteil der Stromerzeugung aus Kernenergie betrug etwa 30%. Die Nutzung der Kernenergie bietet einerseits die Möglichkeit, Strom zu erzeugen, ohne dabei Staub, Schwefel oder Kohlendioxid freizusetzen. Andererseits entstehen bei der Kernspaltung radioaktive Abfälle, die über Jahrtausende von der Biosphäre ferngehalten werden müssen. Die mit dem Betrieb von Kernkraftwerken verbundenen Risiken werden unterschiedlich beurteilt. So ereigneten sich im Reaktorteil deutscher Kernkraftwerke seit ihrer Nutzung keine größeren Störfälle. Der Reaktorunfall von Tschernobyl im April 1986 zeigte allerdings, welche Auswirkungen mit dieser Technik verbunden sein können, wenn menschliches Versagen und technische Mängel zusammenwirken. Prinzipieller Aufbau von Reaktoren Damit in einem Reaktor über Kernspaltungen Wärme freigesetzt wer - den kann, müssen vier wesentliche Bestandteile zusammenwirken: der Brennstoff, in dem die Kernspaltungen stattfinden, der Moderator, der die Geschwindigkeit der freiwerdenden Neutronen so reduziert, dass sie weitere Spaltungen hervorrufen können, die Regelsubstanzen, mit denen die Anzahl der Kernspaltungen geregelt wird und das Kühlmittel, das die Wärme abtransportiert. Die verschiedenen Reaktortypen unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Auswahl und die Kombination der verwendeten Stoffe. Der Brennstoff Als Brennstoffe eignen sich die Uranisotope U-235 und U-233 sowie das Plutoniumisotop Pu-239. U-235 ist im natürlichen Uran enthalten. U-233 und Pu-239 können in Reaktoren künstlich erzeugt (erbrütet) werden. Der Moderator Die beim Kernspaltungsprozess freigesetzten Neutronen fliegen mit Geschwindigkeiten bis zu km/s aus dem Atomkern. Man bezeichnet sie deshalb auch als»schnelle«neutronen. Neutronen mit dieser hohen Geschwindigkeit»spalten«nur selten Atomkerne des Uranisotops 235. Erst bei Neutronengeschwindigkeiten von etwa 2 km/s steigt die Wahrscheinlichkeit einer Kernspaltung. 27

5 Die Neutronen müssen deshalb abgebremst werden. Diese Bremsfunktion übernimmt der Moderator. Beim Zusammenstoß mit den Atomkernen des Moderators verlieren die Neutronen einen Teil ihrer Bewegungsenergie. Als Moderatoren verwendet man normales (leichtes) oder schweres Wasser und Graphit. Die Regelsubstanzen Bei jedem Kernspaltungsprozess zerfällt der Atomkern in zwei mittelschwere Kerne, die als Spaltprodukte bezeichnet werden. Außerdem werden zwei bis drei Neutronen frei. Diese Neutronen können weitere Kernspaltungen auslösen, die dabei wieder Neutronen freisetzen. Man nennt diesen Vorgang»Kettenreaktion«. Mit Stoffen, die Neutronen»einfangen«(absorbieren), lässt sich die Zahl der Kernspaltungen regeln und die Kettenreaktion unterbrechen. Als Regelsubstanzen eignen sich Cadmium, Bor, Silber und Indium. Das Kühlmittel Die bei der Kernspaltung entstehende Wärme wird vom Kühlmittel aufgenommen, zur Turbine transportiert und dort in mechanische Energie umgewandelt. Um die anfallende Wärmemenge aufnehmen zu können, muss das Kühlmittel eine hohe Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit besitzen. Außerdem sollte es möglichst wenig Neutronen absorbieren. Als Kühlmittel eignen sich Wasser, Natrium, Kohlendioxid und Helium. Reaktortypen Leichtwasserreaktoren 80% aller weltweit betriebenen Kernkraftwerke arbeiteten 2004 mit Leichtwasserreaktoren. Man unterscheidet zwei Ausführungen, den Druckwasserreaktor (DWR) und den Siedewasserreaktor (SWR). Von den 19 Kernkraftwerken in Deutschland arbeiten 13 mit Druckwasserund 6 mit Siedewasserreaktoren. Der Aufbau beider Typen wird in der Ausstellung gegenübergestellt. Stellvertretend soll hier der Druckwasser - reaktor knapp erläutert werden. 28

6 In Druckwasserreaktoren steht das Kühlwasser unter Druck und wird dadurch am Sieden gehindert. Es strömt durch den Reaktordruckbehälter, nimmt die im Brennstoff freigesetzte Wärme auf und transportiert sie zum Dampferzeuger. Dort verdampft das Wasser des Sekundärkreislaufs; der Dampf treibt die Turbine an. Brennstoff angereichertes Uran (bis 4%). Der Brennstoff befindet sich in Form von tablettenförmigen Pellets in den Brennstäben aus Zirkaloy. Kühlmittel boriertes Wasser Moderator boriertes Wasser Regelung über Regelstäbe mit Bor, Indium etc. Kühlkreisläufe Primär: Wasser, Sekundär: Wasser/Dampf Primärkreislauf Druck ca. 160 bar Temperatur ca. 320 C Andere Reaktortypen Hochtemperaturreaktor und Schneller Brüter werden auch als»fortgeschrittene Reaktoren«bezeichnet. Der Hochtemperaturreaktor ist mit seiner Betriebstemperatur von ca C neben der Stromerzeugung auch für die Bereitstellung von Prozesswärme, z. B. zur Kohlevergasung, geeignet. Der Schnelle Brüter bietet die Möglichkeit, während des Betriebs neuen Brennstoff zu erzeugen und damit die Uranvorräte zu strecken. Der Reaktor enthält deshalb einen Brennstoff (Plutonium) und einen Brutstoff (Natur-Uran oder abgereichertes Uran). In Deutschland wurde von beiden Reaktortypen jeweils ein Prototyp-Kraftwerk gebaut: der Hochtemperaturreaktor THTR 300 wurde nach einer Betriebszeit von 4 Jahren, der Schnelle Brüter SNR 300 noch vor der nuklearen Inbetriebnahme stillgelegt. Seit 1991 arbeiten die Firmen Siemens (Deutschland) und Framatome (Frankreich) an der Entwicklung eines sicherheitstechnisch weiterentwickelten Druckwasserreaktors. Der EPR (European Pressurized Water Reactor) ist für eine elektrische Leistung von ca MW ausgelegt. Die Projektphase ist abgeschlossen. Ende 2003 erhielten Framatome ANP und Siemens den Auftrag zum Bau eines EPR- Kernkraftwerks in Finnland. Zuerst ist das atomrechtliche Genehmigungsverfahren zu durchlaufen, das etwa zwei Jahre dauert. Im Jahre 2005 soll mit dem Bau des Atomkraftwerks begonnen werden; 2009 soll es in Betrieb gehen. Die Entwicklung konzentriert sich auf zwei Schwerpunkte: die Verringerung der Wahrscheinlichkeit, dass sämtliche Kühlkreisläufe ausfallen und es dadurch zum Schmelzen des Reaktorkerns kommt (Kernschmelze), und die Beherrschung der Kernschmelze, d.h. selbst in diesem Fall müssen die dabei freigesetzten radioaktiven Stoffe innerhalb des Reaktorgeländes bleiben. In der Ausstellung sind die Konzepte der angesprochenen Reaktortypen ausführlicher erläutert. Weitere Informationen finden Sie im Infosystem»Kernenergie«unter dem Stichwort»Reaktorsicherheit«. 29

7 Reaktorsicherheit In einem Kernkraftwerk entstehen während des Betriebs radioaktive Stoffe. Nach längerer Betriebszeit liegt die Gesamtaktivität eines 1000 MW Reaktors bei etwa 10 Trillionen Becquerel. Der sichere Einschluss der radioaktiven Stoffe ist das oberste Ziel aller Sicherheitskonzepte. Dieses Ziel soll durch Maßnahmen erreicht werden, die sich in ihrer Wirkung ergänzen. Für die bestehenden Kernkraftwerke in Deutschland gibt es eine Reihe von abgestimmten Sicherheitskonzepten: das Barrierenkonzept mehrere, hintereinander liegende Abschirmungen umschließen die radioaktiven Stoffe, das Mehrstufenkonzept für jeden Betriebszustand des Kernkraftwerkes sind spezielle Sicherheits Vorkehrungen vorgesehen, und die Anwendung der Auslegungsgrundsätze dazu zählt z. B. das Redundanzprinzip, das für jede Sicherheitsfunktion mehr Systeme vorschreibt, als notwendig sind. So stehen für die Notkühlung eines Druckwasserreaktors vier Notkühlsysteme zur Verfügung, obwohl zwei Systeme ausreichend sind. Radioaktive Abfälle und Entsorgung Die in der Bundesrepublik anfallenden radioaktiven Abfälle stammen überwiegend aus dem Betrieb von Kernkraftwerken, der Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen, dem Abbau und der Stilllegung kerntechnischer Anlagen, der Forschung und der Anwendung radioaktiver Stoffe in Medizin und Industrie. Klassifizierung radioaktiver Abfälle Man unterscheidet die Abfälle zum einen nach ihrer spezifischen Aktivität, d.h. nach der Anzahl der Zerfälle pro Sekunde und m 3. Für die Auswahl geeigneter Endlager ist außerdem die Unterscheidung nach der Wärmeentwicklung wichtig: Abfälle mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung, z. B. die Abfälle aus der Medizintechnik, erwärmen die Gesteinsformation eines Endlagers um weniger als 3 C. Abfälle mit Wärmeentwicklung führen zu einer Temperaturerhöhung von mehr als 3 C. Zu diesen Abfällen zählen beispielsweise abgebrannte Brennelemente aus Kernkraftwerken. 30

8 Wie viel radioaktive Abfälle müssen entsorgt werden? Ende 2000 gab es in Deutschland etwa m 3 radioaktive Reststoffe mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung und ca m 3 wärmeentwickelnde radioaktive Abfälle. Etwa m 3 waren be - reits konditioniert, d.h. für die Endlagerung verpackt. Die konditionierten Abfälle mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung kommen aus (Ende 2002): Kernkraftwerken 18,5% Kerntechnischer Industrie 5,0% Wiederaufbereitung 18,1% Stillgelegten Kernkraftwerken 5,8% Forschung 48,6% Landessammelstellen 4,0% Die wärmeentwickelnden Abfälle, die zum größten Teil aus Kernkraftwerken und Wiederaufbereitungsanlagen stammen, entsprechen etwa 1,8% des gesamten radioaktiven Abfallvolumens. Sie enthalten aber etwa 95% der Aktivität. Wie wird abgebrannter Brennstoff entsorgt? Derzeit fallen in den 19 deutschen Kernkraftwerken pro Jahr rund 500 t abgebrannter Brennstoff an. Die Entsorgung der abgebrannten Brennelemente verläuft in verschiedenen Stufen. 1. Zunächst werden sie etwa ein Jahr in den Abklingbecken der Kernkraftwerke gelagert. In dieser Zeit nimmt die Radioaktivität so weit ab, dass die Brennelemente in speziellen Behältern (z. B.»Castor«) in ein Zwischenlager transportiert werden können. 2. In Deutschland stehen in Gorleben und Ahaus je ein Zwischenlager mit einer Kapazität von 1500 m 3 zur Verfügung. 3. Nach der Zwischenlagerung von einigen Jahren gibt es zwei Be - handlungsmöglichkeiten: die Wiederaufarbeitung oder die Direkte Endlagerung. Bei der Wiederaufarbeitung werden die verwertbaren Anteile im abgebrannten Brennstoff, Plutonium und Uran, abgetrennt. Die hochradioaktiven Spaltprodukte werden in entsprechende Endlagerbehälter verpackt. Bei der direkten Endlagerung kommen die Brennelemente nach einer weiteren Zwischenlagerung und in einer entsprechenden Verpackung direkt in das Endlager. 4. Endlager müssen so gestaltet sein, dass radioaktiver Abfall dort auf Dauer, d. h. für eine Zeitspanne von mehreren tausend Jahren, ohne Gefährdung der Biosphäre verbleiben kann. Weltweit wird eine Vielzahl von Gesteinsformationen auf ihre Eignung hin untersucht. Das einzige deutsche Endlager für nicht wärmeentwickelnde Abfälle liegt in Morsleben in der ehemaligen DDR. Dort wird seit 1999 kein radioaktiver Abfall mehr eingelagert. Seit 2002 ist die endgültige Stilllegung rechtskräftig. Bis zum Jahr 2000 sollte mit dem Erzbergwerk Konrad bei Salzgitter ein weiteres Endlager für radioaktive Abfälle ohne Wärmeentwicklung zur Verfügung ste- Weitere Informationen finden Sie im Infosystem»Kernenergie«unter dem Stichwort»Welche Eigenschaften hat radioaktiver Abfall?«und unter»entsorgung«. Geplantes Endlager Salzstock Gorleben/Niedersachsen Glasblöcke, konditionierte Hülsen und Halterungen radioaktive wärmeentwickelnde Abfälle 31

9 hen. Bis Ende 2003 gab es aber noch keine rechtskräftige Genehmigung. Für hochradioaktive wärmeentwickelnde Abfälle existiert weltweit noch keine Endlagerstätte. Seit 1979 wird in Deutschland der Salzstock in Gorleben auf seine Tauglichkeit als Endlager für wärmeentwickelnde Abfälle untersucht. Ende 2002 wurde ein Abschlussbericht vorgelegt und die Phase der politischen/rechtlichen verbindlichen Festlegung des Auswahlverfahrens eingeleitet. 3.3 Kernfusion Unter Kernfusion versteht man die Verschmelzung von Atomkernen. Atomkerne sind positiv geladen. Damit sie sich zu einem neuen Kern verbinden können, müssen ihre elektrostatischen Abstoßungskräfte überwunden werden. Dies gelingt nur, wenn viele Atomkerne bei sehr hoher Temperatur, d.h. mit großer Geschwindigkeit zusammenstoßen. Im Innern der Sonne herrschen diese Verhältnisse. Auf der Erde versucht man seit Ende der 40er Jahre, die Fusionsbedingungen über verschiedene Versuchsanordnungen zu realisieren. Die Forschung konzentriert sich gegenwärtig auf dieverschmelzung von Deuterium (D) und Tritium (T). Das Ziel der Forschung ist der Bau eines Fusionskraftwerks zur Stromerzeugung. Ionen und Elektronen werden durch ein Magnetfeld auf spiralförmige Bahnen gezwungen. Was ist ein Plasma? Erhitzt man ein Gas auf hohe Temperaturen, lösen sich die Elektronen aus der Atomhülle. Zurück bleiben positiv geladene Atomrümpfe,»Ionen«. In einem Gas sind bei Normaltemperatur die Elektronen in der Atomhülle gebunden. In einem Plasma haben sich Elektronen aus der Atomhülle gelöst. Das Gemisch aus Elektronen und Ionen nennt man»plasma«. Das Plasma ist elektrisch leitend und kann deshalb von elektrischen und magnetischen Feldern beeinflusst werden. So lässt es sich beispielsweise in einem»magnetischen Käfig«einschließen. Wann»zündet«ein Plasma? Damit in einem Plasma Fusionsreaktionen ablaufen können, muss es durch Energiezufuhr von außen aufgeheizt werden. Ab einer bestimmten Temperatur und Dichte des Plasmas laufen dann gerade so viele Fusionsprozesse ab, dass die freigesetzte Energie ausreicht, um die Temperatur des Plasmas aufrechtzuerhalten. Nach dem Erreichen des Zündpunkts»brennt«das Plasma ohne Energiezufuhr von außen weiter. Der englische Physiker John Lawson beschrieb 1957 die Bedingungen, unter denen ein Plasma den Zündpunkt erreicht. Man bezeichnet sie deshalb als»lawson-kriterium«. Danach sind für die Zündung eines Plasmas drei Eigenschaften von Bedeutung: die Temperatur, die Plasmadichte und die Energieeinschlusszeit als Maß für die Wärmedämmung. 32

10 Wenn die freiwerdende Energie zu schnell nach außen abgeführt wird, sinkt die Temperatur im Plasma und die Fusionsreaktion wird unterbrochen. In einem Fusionskraftwerk muss das Produkt aus diesen Werten eine Mindestgröße besitzen. Die Bedingungen für die Fusion von Deuterium und Tritium sind leichter zu realisieren als die anderer Reaktionspartner. Die Zündung erfolgt bei einer Temperatur von 100 Millionen Grad, einer Plasmadichte von ca. 100 Billionen Teilchen pro Kubikzentimeter und einer Einschlusszeit von l bis 2 Sekunden. Bei der Fusion eines Deuterium- und eines Tritiumkerns bilden sich ein Heliumkern und ein Neutron. In einem Fusionskraftwerk könnte die Bewegungsenergie der Heliumkerne und Neutronen in Wärme bzw. elektrische Energie umgewandelt werden. Wie lässt sich ein Plasma einschließen? Damit eine Fusionsreaktion ablaufen kann, muss das Plasma auf eine Temperatur von 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Ein Plasma mit solch hoher Temperatur würde die Wände des Plasmagefäßes beschädigen, und die Plasmateilchen würden durch das Herausschlagen von Wandteilchen zuviel Energie verlieren. Das Plasma wird deshalb in einen»magnetischen Käfig«gesperrt. Man nutzt dabei die»lorentzkraft«, die auf eine bewegte Ladung im Magnetfeld wirkt. Bewegt sich die Ladung senkrecht zum Magnetfeld, so wirkt die Kraft immer senkrecht zur Geschwindigkeitsrichtung und zur Magnetfeldrichtung (Drei-Finger-Regel). Durch die Kraftwirkung ändert sich nur die Richtung der Geschwindigkeit, nicht ihr Betrag: die Ladung bewegt sich auf einer Kreisbahn. Hat die Ladung noch eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung des Magnetfeldes, so entsteht eine Schraubenbahn um die Magnetfeldrichtung, die Ladung ist»eingefangen«. Geladene Plasmateilchen werden in einem Magnetfeld zu solchen schraubenförmigen Bewegungen um die Magnetfeldlinien gezwungen. Damit die Plasmateilchen an den Enden nicht entweichen können, benutzt man ringförmige, in sich geschlossene Magnetfelder. In ringförmigen Magnetfeldern wandern die Teilchen aber zu den Seitenwänden. Dieser Effekt lässt sich verhindern, wenn man die Feldlinien schraubenförmig verdreht. Dazu ist ein weiteres Magnetfeld erforderlich. Es wird entweder durch einen Strom im Plasma oder durch zusätzliche Spulen erzeugt. In einem Versuch kann man das Einschnüren eines Plasmas beim Einschalten eines Magnetfeldes beobachten. Fusion von Deuterium (D) und Tritium (T) Durch die eingekoppelte Hochfrequenz lösen sich Elektronen aus der Hülle: es entsteht ein Plasma. Durch das Magnetfeld wird das Plasma eingeschnürt. Magnetspule Plasma 33

11 Konzept eines zukünftigen Fusionsreaktors Nach heutigen Schätzungen (2004) könnte ein Fusionskraftwerk frühestens im Jahre 2050 in Betrieb gehen. Das Kraftwerk würde voraussichtlich eine Wärmeleistung von etwa 3000 MW haben. Kernfusionsreaktoren könnten zukünftig einen Beitrag zu unserer Energieversorgung leisten. Sie könnten beispielsweise in großen Kraftwerken zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Von diesem Ziel ist die Forschung noch weit entfernt. Wie könnte ein zukünftiges Fusionskraftwerk arbeiten? Eine ringformige Brennkammer enthält das Gemisch aus Deuterium und Tritium. Zunächst wird das Gemisch durch Energiezufuhr von außen aufgeheizt, d.h. fur einige Sekunden wird eine Leistung von 50 bis 100 MW zugeführt. Ein Magnetfeld schließt das heiße Plasma ein und hält es von den Gefäßwänden fern. Nach der Zündung reicht die Energie der dabei entstandenen Heliumkerne aus, um das Plasma selbständig weiter brennen zu lassen. Die äußere Heizung wird abgeschaltet. Wärmeaufnahme und Bildung von Tritium Die bei der Fusion entstandenen Neutronen werden auf ihrem Weg nach außen im Brutmantel abgebremst, ihre Bewegungsenergie wandelt sich dabei in Wärme um. Ein Kühlmittel transportiert die Wärme zum Wärmetauscher, wo in einem zweiten Kreislauf Wasser verdampft. Der Dampf treibt eine Turbine an, deren Rotationsenergie im Generator in Strom umgewandelt wird. Der Brutmantel enthält Lithium, das sich durch den Beschuss mit Neutronen in Tritium umwandelt. Es ist geplant, das Tritium abzutrennen, zu speichern und wieder als Brennstoff in die Brennkammer zu leiten. 34

12 Wie sicher ist ein Fusionskraftwerk? Die Fusionsforschung befindet sich noch im Experimentalstadium. Trotzdem erfordert die Größe der Experimente eine Analyse der damit verbundenen Risiken. Aus diesen Untersuchungen werden Rückschlüsse auf die Sicherheitseigenschaften späterer Fusionskraftwerke gezogen. Während des Betriebs müssen im Wesentlichen zwei Arten von radioaktiven Stoffen sicher eingeschlossen werden: Tritium (als Brennstoff) Ein Fusionskraftwerk wird einige Kilogramm Tritium enthalten. Das meiste davon ist in Speichern gebunden. In der Brennkammer selbst befindet sich während des Betriebs etwa lg Tritium. Ein Kraftwerk mit einer Wärmeleistung von 3000 MW wird etwa 20 g Tritium pro Stunde verbrauchen. Tritium ist die radioaktive Variante des Wasserstoffs. Es ist ein Betastrahler mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren. Für den Menschen ist Tritium dann schädlich, wenn es über die Atmung oder Nahrung in den Körper gelangt. Durch Neutronenbeschuss aktivierte Materialien Die bei der Fusion freigesetzten Neutronen treffen auf Gefäßwände, Halterungen, etc. Die einzelnen Materialien (z.b. Stahl) absorbieren die Neutronen und werden radioaktiv. Die mögliche Freisetzung von radioaktiven Stoffen wird beim Fusionsreaktor, wie beim Kernspaltungsreaktor, durch schalenförmig aufgebaute Hüllen verhindert. Man geht davon aus, dass bei Unfällen die gespeicherte Energie im Reaktor nicht ausreicht, um die äußere Sicherheitshülle zu zerstören. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass die Fusionsreaktion»erlischt«, wenn die Zündbedingungen nicht mehr erfüllt sind. Die Brennstoffmenge in der Plasmakammer reicht etwa für 100 Sekunden Brenndauer aus. Auch die Nachwärme reicht nach heutigem Ermessen nicht aus, um Teile des Kraftwerks zum Schmelzen zu bringen. Welche Abfälle produziert ein Fusionskraftwerk? Während einer 30-jährigen Betriebszeit müssen die Gefäßwände und der Brutmantel aufgrund der hohen Neutronenbelastung mehrfach ausgetauscht werden. Ein Fusionsreaktor wird in dieser Zeitspanne etwa m 3 an radioaktivem Abfall produzieren. Dies entspricht in etwa der Abfallmenge eines Kernspaltungsreaktors. Allerdings sind die Halbwertszeiten der aktivierten Materialien kürzer (etwa 100 Jahre). Der Abfall muss bei den derzeit verwendeten Materialien etwa 1000 Jahre eingeschlossen werden. Durch Auswahl und Neuentwicklung von Materialien versucht man, Aktivierungsprodukte mit möglichst kurzen Halbwertszeiten zu erreichen. 35

13 Rundgang durch die Ausstellung 4. Bereich Energiespeicherung kwh/m Heizöl, Benzin Steinkohle Energieinhalte pro Volumen Methanol Erdgas Batterien (100 bar) flüssiger Wasserstoff Wasserstoff (100 bar) flüssiges Erdgas 4300 Kohle, Erdöl, Erdgas die Urspeicher Fossile Brennstoffe bilden bis heute die Basis unserer Energieversorgung. Sie entstanden vor Millionen Jahren, im Karbon und Perm oder im Tertiär (also vor 65 5 Millionen Jahren). Knapp 90% des weltweiten Primärenergieverbrauchs wird damit gedeckt. Dieser gigantische Vorrat an chemisch gebundener Energie ist im Prinzip gespeicherte Sonnenenergie. Da die Menschheit diesen in über Millionen von Jahren gefüllten Speicher in weniger als 500 Jahren aufgebraucht haben wird, benötigt man, ungeachtet der Umweltproblematik, neue Energiequellen. Eine Voraussetzung für die Nutzung neuer Energiequellen sind effiziente Speicher, die Angebots- und Verbrauchszeiten entzerren. Anforderungen an Energiespeicher: hohe Energiedichte (gespeicherte Energie pro Volumen oder pro Gewicht) hohe Leistungsdichte (entnehmbare Leistung pro Volumen oder pro Gewicht) hohe Zyklenanzahl (Lebensdauer - wie oft be- und entladen werden kann) geringe Energieverluste Wirtschaftlichkeit Sicherheit und Umweltverträglichkeit Mögliche gespeicherte Energiearten sind: Mechanische Energie Thermische Energie Chemisch gebundene Energie Elektrische und magnetische Feld-Energie Pumpspeicher-Kraftwerke: Strom für Spitzenlastzeiten Pumpspeicher-Kraftwerke sind Wasserkraftwerke. Sie pumpen in Schwachlastzeiten, also mit»billigem«strom, Wasser in ein hochgelegenes Speicherbecken. Bei Bedarf erzeugen sie zu Spitzenlastzeiten Strom, der teuer verkauft werden kann. Pumpspeicher-Kraftwerke können innerhalb sehr kurzer Zeit maximale Leistung erreichen. In Deutschland sind derzeit (2004) mehr als 34 Pumpspeicher-Kraftwerke mit einer Gesamtleistung von rund 6560 MW installiert. 36