Fusionsenergie. Fusionsenergie 1

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1 1 von 11 Fusionsenergie Fusionsenergie 1 Einleitung 2 Was ist Fusionsenergie? 3 Tokamak-Anordnung 5 Stellarator-Anordnung 6 Geschichte der Fusionsenergie 7 Wie Funktioniert Fusionsenergie? 8 Wie entsteht durch Energie? 9 Was sind die Vorteile von der Fusion im Gegensatz zur Kernspaltung? 9 Was sind die Nachteile der Fusionsenergie im Gegensatz zur Kernspaltung? 9 Aktuelle Projekte. 10 Zukunft? 10 Quellenverzeichnis 11

2 Einleitung 2 von 11 Als ich zum ersten Mal etwas von der hörte, war ich sofort begeistert. Die Möglichkeit die Energie des Universums für uns zu gebrauchen und damit unser Energieproblem auf eine saubere und weniger gefährliche Art zu lösen, erschien zu schön um Wahr zu sein. Die Fusionsenergie könnten in Zukunft doch wirklich die gefährlichen und Umweltbelastenden Kernspaltungskraftwerke ersetzen. Zugleich hätten wir eine schier unerschöpfliche Energiequelle, die den wachsenden Energiebedarf der Menschheit abzudecken vermag. Zudem sind die Elemente die man für diese Reaktion braucht, auf der Erde fast unbegrenzt vorhanden. Was spricht also gegen die Fusionseregie und wie läuft der Prozess genau ab? Hat diese Technologie eine Zukunft? Diese und weitere Fragen möchte ich in dieser Arbeit beantworten. Dazu werde ich die historische Entwicklung der betrachten, Grundlagen und Experimente näher erläutern, auf physikalische und technologische Probleme bei der Verwirklichung eines skraftwerks eingehen und aktuelle und zukünftige Projekte betrachten.

3 Was ist Fusionsenergie? 3 von 11 Fusionsenergie wird auch die unendliche Energie, die Energie des Universums oder die wahre Sonnenenergie genannt. Im innern der Sonne finden permanente Fusionsprozesse statt, aus welchen sie ihre enorme Energie bezieht. Dabei werden zwei Atomkerne miteinander verschmelzt (fusioniert). In der Sonne wird jede Sekunde 600 Millionen Tonnen Wasserstoff in 596 Millionen Tonnen Helium fusioniert. Die restlichen 4 Millionen Tonnen Wasserstoff wurden vollständig in Energie umgewandelt. Nach der berühmten Formel E=mc2, entspricht diese Materie einer Energie von 100 Trillionen Kilowattstunden. Damit es aber zu diesen Prozessen kommt, muss ein extrem hoher Druck von 200 Milliarden Bar und eine gewaltige Hitze von 15 Millionen Grad Celcius herrschen. Auf der Erde könne wir schlecht den enormen Druck der Sonne erzeugen. Deshalb müssen wir die Materie stärker erhitzen, um die nötigen Bedingungen zu schaffen. Um den Druck zu kompensieren müssen wir eine Temperatur von ungefähr 100 Millionen Grad Celsius erzeugen. Diese unglaubliche Temperatur ist für uns schwer Vorstellbar. Wie ist es also möglich eine solche Temperatur zu erschaffen? Hier sind die Möglichkeiten zum erhitzen des Plasmas aufgelistet. Elektrisches Aufheizen: Möglich wird es mithilfe der elektrische Leitfähigkeit des Plasmas. Da das Plasma einen elektrischen Widerstand besitzt, kann es durch einen grossen induzierten Strom, bis etwa Millionen Grad erhitzt werden. Danach ist die Leitfähigkeit so stark angestiegen, dass keine weitere Erwärmung mehr möglich ist. Neutralteilchen-Einschuss: Bei dieser Methode werden schnelle neutrale Atome in das Plasma geschossen. Die kinetische Energie dieser Atome wird durch Stösse auf das Plasma übertragen, wodurch sich dieses aufheizt. Elektromagnetische Wellen: Mikrowellen können die Ionen und Elektronen im Plasma auf ihren Resonanzfrequenzen anregen und somit Energie in das Plasma übertragen. Magnetische Kompression: Das Plasma kann wie ein Gas durch schnelles Zusammenpressen erwärmt werden. Dazu braucht man eine Magnetspule mit veränderbarer Stromstärke, um das Plasma zusammen zu pressen. Supraleitende Magnetspulen sind nicht geeignet da ihre Stärke nicht veränderbar ist.

4 4 von 11 Warum werden für eine Fusionsreaktion solche enorme Bedingungen benötigt? Damit zwei Wasserstoffatome miteinander verschmelzen können, müssen sie einen extrem kleinen Abstand zueinander aufweisen. Dies ist im normalen Zustand nicht möglich, da die elektrischen Kräfte der Atomkerne entgegenwirken. Die positiv geladenen Wasserstoff Atome stossen sich gegenseitig ab. Um diese Kraft zu überwältigen brauchen wir unglaublich viel Energie. Diese Energie wird in Form von Druck und Temperatur auf die Atome übertragen. Die Energiemenge ist so hoch, dass ein Plasma aus Wasserstoffatomen entsteht. Plasma kann erzeugt werden wenn man einem Gasgemisch weitere Energie zuführt. Bei genügend Energie bewegen sich die Elektronen so schnell, dass sie sich aus dem Atomrumpf befreien können. Das Plasma besitzt also freie Ladungsträger und ist elektrisch Leitfähig. Diese Eigenschaft kann, wie oben beschrieben, zur weiteren Erhitzung des Plasmas genutzt werden. Wie kontrolliert man das Plasma? Damit Wasserstoffatome den Zustand eines Plasmas annehmen, wird eine Wärmeenergie von mindestens 6'000 Kelvin benötigt. Danach wird das Plasma auf über 100 Millionen Grad Celsius erhitzt. Es gibt kein Material das diesen Temperaturen standhalten könnte. Wie kontrolliert man also das Plasma? Das Plasma wird mithilfe von magnetischen Feldern in einem Raum mit 1.8 Meter Dicken Wände eingesperrt. Dieser Raum ist Torusförmig, damit ein elektrischer Strom fliessen kann und man herausgefunden hat, dass bei dieser Form die meiste Energie freigesetzt wird. Dabei gibt es aber 2 unterschiedliche Ansätze der Anordnung der Magnetspulen. Diese werden auf den nächsten 2 Seiten kurz erklärt.

5 5 von 11 Tokamak-Anordnung Magnetfeld Um das Plasma stabil in einem eingeschlossenen Magnetfeld zu halten, schlugen zwei Forscher einen Torusförmigen Fusionsreaktor vor. Der Torus wird dabei von mehreren Feldspulen umschlossen, welche das rotierende Plasma eingeschlossen halten. Um Verwirbelungen des Plasmas zu vermeiden, müssen die Teilchenbahnen zusätzlich eine Drehung innerhalb des Torus-Querschnitts durchführen. Die magnetischen Feldlinien müssen also Spiralförmig verlaufen. Diese verdrillung wird erreicht, indem man im Plasma selbst einen elektrischen Strom fliessen lässt. Der Strom erzeugt ein Magnetfeld mit optimal verlaufenden Feldlinien. Diese überlagern sich durch die Spulen erzeugten Magnetfelder, so dass sich der gewünschte spiralförmige Feldverlauf ergibt. Erzeugung des Plasmastroms (Stromtrieb) Das Plasma kann als Sekundärwicklung eines Transformators wirken. Als Primärwicklung wirkt eine zentrale Feldspule im Torus-Zentrum, ergänzt durch weitere Ringspulen. Dieses Verfahren, den Plasmastrom durch elektromagnetische Induktion zu erzeugen, kann allerdings, wie bei jedem Transformator, keinen Dauerstrom liefern, da man den Primärstrom nicht ständig steigern kann. Von Zeit zu Zeit muss der Primärstrom abgeschaltet werden. Das hat jedoch zur Folge das man das Plasma nicht mehr einschliessen kann, die setzt aus und muss danach neu gestartet werden. Ein Tokamak arbeitet also nicht kontinuierlich, sondern gepulst. Man rechnet mit einer Pulsdauer von etwa 15 Minuten. Doch der Pulsbetrieb sollte nur eine Notlösung sein. Die grossen Kräfte, die die Feldspulen aufeinander ausüben, würde dabei als Wechsellasten auftreten, die bestimmte Teile besonders stark beanspruchen. Deshalb wird an anderen Techniken zum Erzeugen und Aufrechterhalten des Plasmastroms geforscht. In Frage kommt vor allem die Neutralteilcheninjektion, die zugleich auch zur Plasmaheizung dient. Man hofft, mit dieser zusätzlichen Methode einen kontinuierlichen Betrieb von Tokamak-Kraftwerksreaktoren zu erreichen.

6 Stellarator-Anordnung 6 von 11 Um das Plasma einzuschliessen, müssen die magnetischen Feldlinien, wie beim Tokamak, spiralförmig verlaufen. Der Stellarator erreicht dies durch die Überlagerung von Magnetfeldern (rote und blaue Pfeile im unteren Bild). Im Plasma fliesst deshalb kein Torusförmiger Strom. Genau das ist auch der Vorteil eines Stellarators. Da kein Strom im Plasma aufrechterhalten werden muss, werden Instabilitäten vermieden, die zu einem Zusammenbruch des Plasmaeinschlusses führen können. Doch die dreidimensionale Struktur des Plasmas erschwert dessen Einschluss im heissen Zustand enorm. Das Spulensystem ist also wesentlicher komplexer als beim Tokamak. Dank den heute zur verfügungstehenden Hochleistungscomputer, konnte eine optimale Anordnung der Spulen berechnet werden. Diese Anordnung ist im unteren Bild zu sehen. Ein Stellarator kann, da er nicht mit einem Strom betrieben werden muss, ungepulst arbeiten. Dies ist eine wichtige Eigenschaft die in zukünftigen Anlagen von wichtiger Bedeutung werden wird. Denn wenn man die Anlage nur einmal Zünden muss und sich diese danach selbst mit genügend Energie versorgt um weiterzubrennen, ist das ein enormer Vorteil gegenüber der Tokamak Anlage.

7 7 von 11 Geschichte der Fusionsenergie Vor etwas mehr als hundert Jahren hatte niemand eine Ahnung, wie die Sonne es schafft, eine solche enorme Energiemenge zu produzieren. Einige hielten die Sonne für eine riesige Gaswolke, die unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabiert. Die dabei entstehende Reibung soll zu ihrer Erhitzung führen. Andere dachten, die Sonne hätte einfach noch nicht die Zeit gehabt, sich seit ihrer Entstehung abzukühlen wurde dann von Ernest Rutherford zum ersten Mal eine Fusionsreaktion beobachtet. Er beschoss dabei Stickstoff Atome mit Alphateilchen und erzeugte damit das Sauerstoffisotop 17O. Zehn Jahre später vermuteten Robert Atkinson und Fritz Houtermans die Verschmelzung leichter Atome als die Energiequelle der Sonne, was sich später auch als richtig herausstellte. In den 40er- und 50er-Jahren versuchten Wissenschaftler erstmals einen Fusionsreaktor zu bauen und sie entwickelten viele komplizierte Anordnungen von Magneten und Elektroden, um das heiße Plasma in der Schwebe zu halten. Darunter befanden sich kugelrunde, zylindrische, oder doughnut-förmige. Doch sie hatten unterschätzt, wie schwierig es ist, mit dem Plasma zu arbeiten. Erstens, lässt sich Plasma nur schwer von Magnetfeldern beherrschen. Manche vergleichen es mit dem Versuch, einen Wackelpudding mit Gummibändern zusammenzuhalten. Das Plasma wand und wölbte sich und beschädigte die Reaktoren, wenn es gegen die Wände stieß. Ein anderes Problem waren die Turbulenzen. Das Plasma wirbelte herum und dadurch mischte sich der heißeste Teil des Plasmas in der Mitte immer wieder mit dem kälteren Plasma außen. Die Hitze entwich schneller aus der Mitte als Wissenschaftler vermutet hatten. Das erschwerte es, jene Temperaturen zu erreichen, die für eine Kernverschmelzung nötig sind zeigten russische Wissenschaftler, dass ein Reaktor in der Form eines Doughnuts, Tokamak genannt, Plasma besser stabil halten konnte, als jedes andere Design und sie erreichten Temperaturen von über einer Million Grad Celsius, damals ein Rekord. Fusionslabore in der ganzen Welt begannen, ihre eigenen Tokamaks zu bauen. Eine Sache wurde schnell klar: Je größer ein Tokamak ist, desto besser funktioniert er. Ein Grund dafür ist, dass die Hitze im Zentrum einer großen Menge Plasma einen weiteren Weg nach außen hat, darum bleibt es im Kern länger heiß. Mitte der 70er Jahre planten Forscher bereits Reaktoren so groß wie Häuser. Diese Maschinen würden endlich mehr Energie produzieren als hineingesteckt werden musste, um das Plasma zu erhitzen, glaubten sie. Doch als die Maschinen wie der TFTR in den USA oder der Jet in England in den 1980ern in Betrieb genommen wurden, überraschte das Plasma die frustrierten Forscher aufs Neue. Die großen Reaktoren konnten das Plasma zunächst tatsächlich sehr gut beherrschen. Doch sobald die Forscher einen Strahl ungeladener Teilchen auf das Plasma schossen, um es zu erhitzen, brach das System zusammen. Die Forscher verbrachten das nächste Jahrzehnt damit, die Reaktoren umzubauen, bevor sie die Maschinen wirklich testen konnten. Als es schließlich so weit war, verfehlten die Reaktoren ihr Hauptziel, denn keiner von ihnen produzierte mehr Energie als hineingesteckt wurde. Mitte der 90er Jahre waren die Pläne für das nächste große Fusionsprojekt bereits weit fortgeschritten. Wissenschaftler hatten einiges aus TFTR und Jet gelernt. Sie waren zuversichtlich, dass es dieses Mal gelingen würde.

8 8 von 11 Das neue Projekt, der Internationale thermonukleare experimentelle Reaktor (ITER), war so groß und so teuer, dass er eine weltweite Zusammenarbeit nötig machte. Zunächst waren die Europäische Union, Japan, Russland und die USA dabei. Später kamen Indien, Südkorea und China dazu. Immer noch der Regel folgend, dass größer besser ist, verlangte das Design von Iter, einen Plasmabehälter mit einem Durchmesser von 22 Metern. Die riesige Plasmawolke darin würde 1,5 Gigawatt Hitze produzieren, berechneten die Forscher. 100 mal mehr als die höchste Ausbeute, die Jet erreicht hatte. Allerdings sollte der Reaktor fast 10 Milliarden Euro kosten. Die Mitgliedsländer sträubten sich gegen den hohen Preis und es musste einen anderen Plan daher wurde ein kleineren, und günstigerer Entwurf vorgestellt. Die Pläne überzeugten die Partner und 2006 unterzeichneten sie ein Abkommen, in dem sie sich verpflichteten den Reaktor zu bauen. Doch in den folgenden Jahren wurde klar, dass die Kosten deutlich unterschätzt wurden. Zurzeit steht der vermutliche Endpreis bei mehr als 15 Milliarden Euro. ITER soll im Jahr 2020 fertig gestellt werden. Wie Funktioniert Fusionsenergie? Auf das wesentliche reduziert, funktioniert ein Fusionsreaktor wie jedes andere Kraftwerk. Ein Treibstoff wird erhitzt, bis er brennt, die Hitze bringt Wasser zum Kochen und der Dampf treibt eine Turbine an, die Strom erzeugt. Die ist deswegen so verlockend, weil ihr Treibstoff weit verbreitet und billig ist und seine Asche harmlos. Das Problem, das Wissenschaftler schon lange beschäftigt, ist, wie sie den Treibstoff so heiß bekommen, dass sich Atomkerne über längere Zeit fusionieren. Der Treibstoff eines Fusionsreaktors sind schwere Wasserstoffatome, Deuterium und Tritium genannt. Damit sie miteinander reagieren muss ein Deuteriumkern sehr nah an einen Tritiumkern gebracht werden. Nur dann verschmelzen die beiden zu einem Heliumkern und es wird Energie freigesetzt. Aber alle Atomkerne haben eine positive Ladung und stoßen sich deshalb ab. Fusionskraftwerke versuchen diese Abstoßung zu überwinden, indem sie den Treibstoff erhitzen. Je heißer der Treibstoff, umso schneller bewegen sich die Kerne. Je schneller die Kerne sich bewegen, umso stärker prallen sie aufeinander. Und je stärker sie aufeinander prallen, umso näher kommen sich die Kerne. Ab einer bestimmten Temperatur bewegen sich die Kerne so schnell, dass sie bei einer Kollision miteinander fusionieren.

9 9 von 11 Wie entsteht durch Energie? Bei einer verschmelzen leichte Atomkerne zu schwereren. Dass bei diesem Vorgang Energie freigesetzt wird, liegt an einer der merkwürdigsten Eigenschaft von Atomkernen, dem Massendefekt. Die Masse eines Atomkerns ist immer kleiner als die Summe der Massen der Teilchen, aus denen er besteht. Die Masse eines aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehenden Heliumkerns ist z.b. kleiner als die Masse dieser vier Teilchen. Die fehlende Masse ist in Bindungsenergie umgewandelt worden, die die Teilchen im Kern zusammenhält. Wie wir von der berühmten Formel von Einstein wissen, kann Materie direkt in Energie umgewandelt werden. Unterschiedliche Kerne weisen eine unterschiedliche Bindungsenergie pro Teilchen auf, diese Differenz soll bei der Umwandlung der Kerne durch genutzt werden. Was sind die Vorteile von der Fusion im Gegensatz zur Kernspaltung? Fusionskraft zählt wie Kernspaltung zur Kernkraft, hat aber gegenüber der Kernspaltung Vorteile wie um einiges kurzlebigere und schwächer strahlende atomare Abfälle, ein noch geringeres Risiko einer unkontrollierbaren Kettenreaktion und einen praktisch unerschöpflichen Brennstoffvorrat: Deuterium ( schwerer Wasserstoff ) ist in kleinen aber ausreichenden Anteilen in normalem Wasser enthalten, Tritium ( superschwerer Wasserstoff ) sollen die Fusionskraftwerke aus dem reichlich vorhandenen Rohstoff Lithium als Nebenprodukt des Betriebs selbst erzeugen. Zudem besteht keine Gefahr dass das Fusionsfeuer unkontrolliert weiter brennt. Denn sobald entweder der Druck oder die Temperatur nicht mehr den Vorgaben entsprechen, können keine weitere Atome mehr Fusionieren und das Feuer erlischt. Was sind die Nachteile der Fusionsenergie im Gegensatz zur Kernspaltung? Die Fusionskraft für die kommerzielle Nutzung zur verfügung zu stellen, stellt ein riesiges technologisches Unterfangen dar. Schon vor 50 Jahren prognostizierten Forscher die Existenz von vollfunktionstüchtigen Fusionsreaktoren in 50 Jahren. Jetzt, nach diesen 50 Jahren, sagen Forscher immer noch das Gleiche. Wenn alles gut läuft, sollte es also weitere 50 Jahren gehen bis wir die Fusionsenergie für uns gebrauchen können. Die Schwierigkeit besteht darin das Fusionsfeuer genügend lange Brennen zu lassen, damit eine positive Energiebilanz entsteht. Natürlich werden beim verwenden von Deuterium und Tritium die Wände des Reaktors verstrahlt. Jedoch beträgt die Halbwertsdauer nur noch etwa hundert Jahre und nicht mehrere tausend.

10 Aktuelle Projekte. 10 von 11 Erst vor kurzem wurde ein Fusionsreaktor zum ersten mal gestartet. Im Wendelstein 7-X soll demonstriert werden, dass man in einem Stellarator tatsächlich für längere Zeit Plasma sicher einschliessen kann. Es ist jedoch nicht geplannt Energie mit Fusionsreaktionen zu gewinnen. Die Anlage dient also nur zu Forschungszwecken, zum experimentieren mit Plasma. Der Aufbau von Wendelstein 7-X hat insgesamt neun Jahre gedauert. Nun wurde am Donnerstag den zum ersten Mal ein Plasma erzeugt. Ein Milligramm Heliumgas speisten die Forscher in den 16 Meter grossen Ring ein, schalteten die Mikrowellenheizung für einen kurzen 1.8 Megawatt-Impuls ein und konnten über Kameras das erste Plasma beobachten. Es bestand jedoch nur etwa eine Zehntel- Sekunde und erreichte eine Temperatur von rund einer Million Grad. Was für den Anfang gar nicht mal so schlecht ist. Um zu zeigen dass mit einem Fusionskraftwerk auch wirklich Energie gewonnen werden kann, wird seit 2007 der ITER gebaut. ITER steht dabei für Internationaler Thermonuklearer Experimentaler Reaktor und soll im Jahr 2020 fertiggestellt werden. In diesem Bild ist die komplizierte Anordnung der Magnetspulen im Wendelstein 7-X zu sehen. Zukunft? Bisher wissen Wissenschaftler nicht, wie sie einen Reaktor bauen können, der dem ständigen Bombardement von energiereichen Neutronen stand hält. Diese und andere Fragen zu beantworten, kostet Zeit. Darum sagen Fusionsforscher, dass es mehrere Jahrzehnte dauern wird, ehe die Technik für kommerzielle Kraftwerke bereit ist. Kritiker entgegnen, dass die Probleme womöglich niemals gelöst werden und dass eine Maschine, die so komplex und teuer ist wie Iter, für keinen Stromkonzern der Welt interessant wäre. Doch es sind auch schon weitere Projekte in Aussicht. So wird, wenn ITER ein Erfolg wird, das nächste grosse Projekt namens DEMO gebaut. In diesem soll dann Energie für die kommerzielle Nutzung entstehen und soll um das Jahr 2050 an das Netzt angeschlossen werden.

11 Quellenverzeichnis 11 von