DER WEG VOM EXPERIMENT ZUM KRAFTWERK

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1 TOPIC 5: FUSIONSTECHNOLOGIE Mega-Mikrowelle: Leistungsstarke Gyrotronröhren heizen das Plasma auf über 100 Millionen Grad Celsius auf. Die am KIT entwickelte 140-Gigahertz-Gyrotronröhre erreicht Heizleistungen bis zu einem Megawatt. DER WEG VOM EXPERIMENT ZUM KRAFTWERK 28 Wenn es gelingt, die Kernfusion als Energiequelle zu nutzen, kann die wachsende Weltbevölkerung für Tausende von Jahren mit Strom und Wärme versorgt werden wirtschaftlich, sicher und umweltverträglich mit Brennstoffen aus Wasser und Gestein. Im KIT entwickeln Forscherinnen und Forscher komplexe Technologien für das große Ziel: ein Fusionskraftwerk, das grundlastfähige Energie liefert.

2 Seit Milliarden von Jahren lässt Kernfusion die Sonne und andere Sterne leuchten. Seit Jahrzehnten arbeiten die Menschen daran, dieses kosmische Feuer auf die Erde zu holen, denn das Verschmelzen von Atomkernen ist als Energiequelle nahezu unerschöpflich. Aber was in der Sonne quasi automatisch abläuft, bedarf auf der Erde hochkomplexer Technologien. Deuterium-Tritium-Fusion Von verschiedenen möglichen Brennstoffen haben sich zwei als für ein irdisches Kraftwerk am besten geeignet erwiesen: Deuterium, ein Wasserstoffisotop mit einem Proton und einem Neutron, und Tritium, ein Wasserstoffisotop mit einem Proton und zwei Neutronen. Bei der Fusion verschmilzt der Kern des schweren Wasserstoffs Deuterium mit dem Kern des überschweren Wasserstoffs Tritium zum Helium-4-Kern mit zwei Protonen und zwei Neutronen, auch als Alphateilchen bezeichnet; ein hochenergetisches Neutron wird ausgesendet. Dabei wird rund 2000 mal so viel Energie freigesetzt wie zugeführt worden ist. Die Energie ist zu 80 Prozent an das Neutron gebunden. Die Brennstoffe sind leicht zu beschaffen: Deuterium ist zu etwa 0,015 Prozent in natürlichem Wasser enthalten, also nahezu unbegrenzt verfügbar. Tritium kommt zwar wegen seiner Halbwertszeit von nur zwölf Jahren in der Natur kaum vor, lässt sich aber aus Lithium erbrüten. Die technisch nutzbaren Lithiumvorkommen in der Erdkruste reichen aus, um den Energiebedarf der Weltbevölkerung für viele tausend Jahre zu decken. Für die Fusionsreaktion sind denkbar geringe Rohstoffmengen erforderlich. Plasma der vierte Aggregatzustand Neben den drei klassischen Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig gibt es einen vierten Aggregatzustand: das Plasma. Es handelt sich um ionisiertes Gas, das heißt einen gasförmigen Zustand, in dem freie Elektronen sowie Ionen elektrisch geladene Atome vorkommen. Bei vollständiger Ionisation sind nur noch Elektronen und freie Atomkerne vorhanden. Der Plasmazustand kann bei hohen Temperaturen oder durch starke elektrische Felder eintreten. Auf der Erde kommen natürliche Plasmen vor allem in Blitzen vor. Auch Flammen haben Plasmaeigenschaften. Im ständigen Plasmazustand befinden sich die Sonne und andere Sterne. In experimentellen Anlagen ist die Deuterium-Tritium Reaktion längst geglückt. Doch bis zum Kraftwerk ist es ein langer Weg. Kernfusion funktioniert nur mit immens hohen Temperaturen, bei denen die Brennstoffe sich im Plasmazustand befinden. Nur dann überwinden die Atomkerne ihre gegenseitige Abstoßung und verschmelzen miteinander. Zur Zündung einer solchen Fusionsreaktion auf der Erde bedarf es einer Temperatur von über 100 Millionen Grad Celsius sechs Mal so heiß wie im Innern der Sonne, weil sich die hohen Drücke im Sonneninnern auf der Erde nicht nachahmen lassen. Eine solche Temperatur will erst einmal erreicht sein. Eine weitere Herausforderung besteht im Einschluss des Plasmas. Kein festes Material hält der hohen Temperatur längere Zeit stand. Der Einschluss geschieht daher mithilfe von starken Magnetfeldern. Dennoch bedarf es einer äußeren Begrenzung durch feste Materie. Die Wand der Brennkammer muss sowohl dem Wärmefluss, der sich aus Plasmatemperatur und Teilchendichte ergibt, als auch einem ständigen Neutronenbeschuss standhalten. Die bei der Fusion entstehenden Neutronen tragen den Großteil der Energie, können als neutrale Teilchen das Plasma verlassen und in die Brennkammerwand eindringen. Dadurch aus der Wand gelöste Teilchen wiederum verunreinigen das Plasma. Diese Teilchen sowie das Reaktionsprodukt Helium-4 müssen laufend aus dem Plasma entfernt werden. Dazu dient ein Divertor, der die unerwünschten Ionen zu neutralen und damit pumpfähigen Teilchen umwandelt. Hoch leistungsfähige Vakuumpumpen, so genannte Kryopumpen, saugen dann das Abgas ab und führen es der Tritiumanlage zu. Die hoch energetischen Neutronen gelangen in das Blanket, eine äußere Hülle, und geben ihre Bewegungsenergie an Atomkerne ab. Die entstehende Wärme Technische Herausforderungen im Reaktor Wasser und Gestein liefern die Brennstoffe für die Kernfusion. 29

3 TOPIC 5: FUSIONSTECHNOLOGIE wird mit einem Kühlmittel abgeführt und lässt sich über einen herkömmlichen Dampfkreislauf mit Turbine und nachgeschaltetem Generator in Elektrizität umwandeln. Das Blanket dient überdies dazu, aus Lithium durch Neutroneneinfang den Brennstoff Tritium zu erbrüten. Sicherheit für Mensch und Umwelt Was macht die Kernfusion zu einer nicht nur wirtschaftlichen, sondern auch sicheren und umweltfreundlichen Energiequelle? Pro Jahr verbraucht ein Fusionskraftwerk mit einer Leistung von 1000 Megawatt nur 100 Kilogramm Deuterium und 150 Kilogramm Tritium, erbrütet aus 300 Kilogramm Lithium. Damit fallen für die Brennstoffe kaum Transporte an. Es werden keine radioaktiven Stoffe transportiert, da das Tritium innerhalb der Anlage erbrütet wird. Die Fusionsreaktion kann aus physikalischen Gründen nicht außer Kontrolle geraten: Bei einer Abweichung von den Betriebsbedingungen, die nur mit großem Aufwand aufrechtzuerhalten sind, reißt die Energiefreisetzung sofort ab. In der Brennkammer eines Fusionsreaktors herrscht ein Vakuum, so dass sie immer nur so viel Brennstoff enthält wie für den laufenden Betrieb erforderlich. Das Plasma hat trotz der hohen Temperaturen eine niedrige Leistungsdichte vergleichbar mit der einer 100-Watt-Glühbirne, so dass es beim Ausfallen der Kühlung nicht zum Schmelzen von Strukturmaterialien kommen kann. Radioaktive Abfälle entstehen fast nur dadurch, dass Neutronen die Reaktorstrukturen aktivieren. Die Abfälle enthalten keine extrem langlebigen Nuklide. Forscher entwickeln niedrig aktivierende Materialien, die nur wenige hundert Jahre kontrolliert gelagert werden müssen. Und schließlich emittiert ein Fusionsreaktor keinerlei klimaschädliche Gase. ITER und DEMO Die technischen Probleme der Kernfusion bis ins Detail zu lösen, erfordert große Anstrengungen. Doch die Mühe lohnt sich immerhin wäre damit ein bedeutender Beitrag zur Lösung der Energieprobleme der Menschheit geleistet. Im Topic Fusionstechnologie des KIT-Zentrums Energie entwickeln Wissenschaftler wesentliche technologische Komponenten und Systeme für den experimentellen Versuchsreaktor ITER (lateinisch iter der Weg). ITER, ein gemeinsames Projekt der Partner Europäische Union, Russische Föderation, Japan, China, Südkorea, Indien und USA, entsteht ab 2009 im Forschungszentrum Cadarache/Frankreich. Der Bau der Anlage wird voraussichtlich zehn Jahre dauern. Geplant ist ein Betrieb von rund 20 Jahren. ITER gewinnt zehnmal mehr Energie als für die externe Plasmaheizung aufgewendet wird. Die Erfahrungen mit dem Versuchsreaktor werden in die Errichtung des nachfolgenden Demonstrationsreaktors DEMO einfließen. DEMO soll als erster Fusionsreaktor über längere Zeit elektrischen Strom erzeugen. Vorgesehen ist, die Anlage ab 2030 zu errichten. Ende der 30er Jahre kann dann voraussichtlich der erste Strom aus einem Fusionskraftwerk ins Netz eingespeist werden. Die Forscher am KIT arbeiten bereits an grundlegenden Technologien für DEMO. Insgesamt widmen sie sich derzeit zu rund zwei Dritteln dem experimentellen Reaktor ITER und zu ITER Technische Daten Gesamtradius 15 Meter Höhe (über alles) 30 Meter Gewicht Tonnen Plasmaradius 6,2 Meter Plasmavolumen 837 Kubikmeter Plasmamenge 0,5 Gramm Magnetfeld 5,3 Tesla Plasmastrom 15 Megaampere Heizleistung 73 Megawatt Wandbelastung d. Neutronen 0,57 Megawatt pro Quadratmeter Fusionsleistung 500 Megawatt Energieverstärkung 10 Mittlere Plasmatemperatur 100 Millionen Grad Brenndauer 300 Sekunden Schema des Reaktors ITER: Die blaue Figur unten im Bild veranschaulicht die Größe der Anlage. 30

4 Auf diesem Gelände in Cadarache/Südfrankreich entsteht der Versuchsreaktor ITER. rund einem Drittel dem Demonstrationsreaktor DEMO, wobei Technologien für DEMO stetig mehr Gewicht erhalten. Im Einzelnen befassen die Karlsruher Arbeiten zur Fusionstechnologie sich mit Mikrowellenröhren und Antennen zur Plasmaheizung, mit supraleitenden Magnetspulen und Stromzuführungen, mit Blanket und Divertor, mit Komponenten und Systemen für den Brennstoffkreislauf und der erforderlichen Vakuumtechnik, mit der Werkstoffentwicklung einschließlich der geplanten Neutronenquelle IFMIF und mit Untersuchungen zur Sicherheit von Fusionsreaktoren. Mikrowellenröhren zur Plasmaheizung Supraleitende Magnetspulen und Stromzuführungen Benötigt werden im Plasma Magnetfelder von rund fünf Tesla. Die dazu erforderlichen Magnetspulen nutzen Supraleiter, um die Energieverluste zu begrenzen und eine wirtschaftliche Energiegewinnung zu ermöglichen. In Karlsruhe haben Entwicklung und Test von supraleitenden Magneten eine lange Tradition. Das KIT-Zentrum Energie verfügt über eine Tieftemperatur-Testanlage (Toroidal Spulen Testanlage Karlsruhe TOSKA) für supraleitende Magnetspulen und weitere Komponenten. Um ITER-Bedingungen zu simulieren, haben die Forscher ein Testbett konzipiert und installiert, in dem die ITER- Toroidalfeld-Modellspule (TFMC) erprobt wurde. Bei dem Test wurde weltweit erstmals ein supraleitender Spulenstrom von Ampere erreicht. Überdies entwickelt das KIT-Zentrum Energie Stromzuführungen, die dazu dienen, den Betriebsstrom auf die supraleitenden Spulen zu übertragen. Neben konventionellen Typen haben die Forscher bereits Stromzuführungen mit Hochtemperatur- Supraleitern erprobt, die bis zu Ampere Strom transportieren können und einen besonders wirtschaftlichen Betrieb der Magnete ermöglichen. Blanket und Divertor Das Blanket, welches das Plasma als äußere Hülle umschließt, erfüllt drei Aufgaben: Es wandelt die Neutronenenergie aus der Um die Brennstoffe in einer Fusionsanlage zu einem Plasma mit einer Temperatur von über 100 Millionen Grad Celsius zu erhitzen, bedarf es einer starken externen Heizung. Die Forscher im KIT-Zentrum Energie entwickeln dazu Mikrowellenröhren, so genannte Gyrotrons. Mikrowellenheizsysteme für Fusionsreaktoren müssen eine Gesamtleistung von 25 bis 50 Megawatt bei Frequenzen von 100 bis 170 Gigahertz aufweisen. Das KIT hat bereits ein 140-Gigahertz-Gyrotron mit einer Heizleistung von einem Megawatt entwickelt das entspricht rund 1200 Küchenmikrowellen. Ein Heizsystem aus zehn solchen Gyrotrons mit einer Gesamtleistung von zehn Megawatt tragen die Karlsruher zur Fusionsanlage Wendelstein 7-X in Greifswald bei. Einbindung des Test Blanket Moduls (hellgrün): Das komplexe System dient dazu, das für die Fusionsreaktion notwendige Tritium zu erbrüten. 31

5 TOPIC 5: FUSIONSTECHNOLOGIE Kernspaltung und Fusion Ein physikalischer Prozess, bei dem ein Atomkern mit einem anderen Atomkern oder einem Teilchen zusammenstößt und dadurch mindestens ein Atomkern umgewandelt wird, heißt Kernreaktion. Zwei spezielle, grundsätzlich verschiedene Arten von Kernreaktionen sind Kernspaltung/Fission und Kernfusion. Kernspaltung: Ein Atomkern wird in zwei oder mehr Teile zerlegt; dabei wird Energie frei. Es handelt sich um eine induzierte Spaltung, ausgelöst dadurch, dass ein frei herumfliegendes Neutron den Atomkern trifft. Kernfusion: Zwei Atomkerne verschmelzen zu einem neuen Kern. Ist die Masse der bei der Fusion entstandenen Teilchen geringer als die Summe der Masse der Ausgangskerne, wird die Massendifferenz in Form von Energie frei. Dann liegt eine exotherme, das heißt energieliefernde Fusionsreaktion vor. Fusionsreaktion in nutzbare Wärme um, erbrütet den Brennstoff Tritium durch das Einfangen von Neutronen in Lithium und schirmt die supraleitenden Magnete gegen Neutronen- und Gammastrahlung ab. Thermische Effizienz und Leistungsdichte des Blankets bestimmen Leistung und Wirtschaftlichkeit eines Fusionsreaktors wesentlich mit. Die europäische Fusionsforschung verfolgt beim Blanket zwei verschiedene Konzepte: HCPB (Helium Cooled Pebble Bed heliumgekühltes Feststoffblanket) und HCLL (Helium Cooled Lithium Lead). Das KIT-Zentrum Energie trägt zu einzelnen Bereichen des HCLL-Konzepts bei, widmet sich jedoch hauptsächlich dem HCPB- Konzept, bei dem es federführend wirkt. Im KIT-Zentrum Energie sind die Arbeiten langfristig darauf gerichtet, ein Blanket für den Demonstrationsreaktor DEMO zu entwickeln und auszulegen. Zu den konzeptionellen und konstruktiven Aufgaben kommen theoretische und experimentelle Untersuchungen, um die Eigenschaften von Brutmaterialien und Beryllium zu bestimmen, das Verhalten der Schüttbetten unter thermischer Belastung und Strahlungsbelastung zu ermitteln sowie Technologien zur Herstellung der Blanket- Module zu entwickeln und zu erproben. Erste Funktionstests in ITER sollen zeigen, wie das Blanketkonzept auf magnetische und thermomechanische Transienten, Neutronen- und Gammastrahlung reagiert. Helium-4, sozusagen die Asche der Kernfusion, sowie unverbrannter Brennstoff und Verunreinigungen müssen laufend aus dem Plasma abgeführt werden, um die Fusion aufrechtzuerhalten. Dies geschieht über den Divertor. Durch Magnetfelder werden die Ionen auf gekühlte Prallplatten gelenkt. Dort verlieren sie Energie und können Elektronen einfangen und dadurch zu neutralen Atomen werden. Vakuumpumpen entfernen die Atome aus der Brennkammer. Die Divertorplatten sind zusätzlich zur Belastung durch die schnellen Neutronen einer hohen Wärmebelastung ausgesetzt der Divertor gehört zu den thermisch am höchsten belasteten Bauteilen in einem Fusionsreaktor. Das KIT-Zentrum Energie ist an der Entwicklung des Divertors für DEMO federführend beteiligt. Schwerpunkte sind die Auswahl und Zusammenstellung geeigneter Materialien, der belastungs- und fertigungsgerechte Entwurf des Divertors einschließlich der Auslegung von Hochleistungs-Wärmeübertragungsmodulen sowie Analysen und Experimente, um die Auslegungsrechnungen zu überprüfen. Geplant ist auch, ein Divertor- Versuchsanordnung zum Test einer ITER- Modellspule. Das Tritiumlabor auf dem Campus Nord des KIT. 32

6 Testmodul in der zweiten Betriebsphase von ITER einzusetzen. Komponenten und Systeme für den Brennstoffkreislauf und Vakuumtechnik Die Brennstoffe Deuterium und Tritium zirkulieren in einem geschlossenen Brennstoffkreislauf. Dieser besteht aus einem äußeren und einem inneren Teil. Im äußeren Brennstoffkreislauf wird das im Blanket aus Lithium erbrütete Tritium durch ein Spülgas ausgetrieben und von diesem abgetrennt. Im inneren Brennstoffkreislauf wird zunächst das Abgas, das aus Helium, Verunreinigungen und unverbranntem Brennstoff besteht, mit leistungsfähigen Vakuumpumpen abgesaugt und der Tritiumanlage zugeführt. Dort wird das unverbrauchte Deuterium- Tritium-Gemisch herausgeholt und zusammen mit Tritium aus dem äußeren Kreislauf sowie mit von außen zugeführtem Deuterium in den Torus eingeleitet. Forscher des KIT-Zentrums Energie waren federführend am Entwurf des ITER- Brennstoffkreislaufs beteiligt und stellen den überwiegenden Teil des inneren Brennstoffkreislauf für ITER bereit. Das KIT verfügt mit dem Tritiumlabor Karlsruhe (TLK) über das einzige wissenschaftliche Labor in der Europäischen Union, das mit Tritium in technischem Maßstab für fusionstypische Anwendungen umgeht derzeit ist der Betrieb mit bis zu 40 Gramm Tritium genehmigt. Qualitätskontrolle: Das als Tritium-Brutmaterial entwickelte Lithiumorthosilikat wird im Rasterelektronenmikroskop geprüft. Um die Anforderungen hinsichtlich von Magnetfeldern, Tritiumkompatibilität und Wartungsfreiheit zu erfüllen, bedarf es spezieller Pumpen. Die Karlsruher Forscher haben sogenannte Kryopumpen entwickelt, die auf Basis von Adsorption oder Kondensation auf extrem kalten Oberflächen die abzupumpenden Gase als Schnee ausfrieren. Das Pumpkonzept wurde in Karlsruhe erfolgreich getestet und ist für alle Hochvakuumsysteme von ITER bestimmt. Derzeit entsteht ein Prototyp der Toruskryopumpe im Maßstab 1:1, der anschließend im KIT-Zentrum Energie gründlich geprüft wird, bevor die Serienfertigung der zwölf Pumpen freigegeben wird. Die Kryopumpen für die Heizsysteme von ITER werden die größten je in einer Vakuumpumpe realisierten Saugvermögen besitzen. Neutronenquelle IFMIF Strukturmaterialien für plasmanahe Komponenten eines Fusionsreaktors müssen einem ständigen Neutronenbeschuss sowie hohen Betriebstemperaturen und Kühlmitteldrücken standhalten, müssen sich mit anderen Materialien wie Kühlmitteln und Brutmaterialien vertragen und dürfen der Umweltverträglichkeit wegen nur gering aktivierbar sein, das heißt nur wenig radioaktiv werden. Das KIT- Zentrum Energie ist an der Qualifizierung solcher Materialien für DEMO federführend beteiligt. Um geeignete Materialien zu finden, bedarf es umfangreicher Tests, vor allem einer Langzeitbestrahlung durch Neutronen mit fusionsrelevanten Spektren. Dazu ist eine beschleunigergetriebene Deuterium-Lithium-Hochfluss- Neutronenquelle (International Fusion Materials Irradiation Facility IFMIF) geplant, welche die Anforderungen an Testvolumina, Neutronenfluss und Strahlungsschäden erfüllt. Das KIT-Zentrum Energie ist für den Teilbereich Test Facilities der EU zuständig. Forschungsarbeiten fokussieren dabei auf die Entwicklung der Testzelle und einiger Testmodule sowie auf die neutronenphysikalischen Berechnungen mit Generierung von nuklearen Daten. Sicherheitsforschung Im Rahmen der Sicherheitsforschung zur Kernfusion legen die Karlsruher Forscher hypothetische Störfälle und daraus folgende Belastungen von Strukturen zugrunde, stellen umfangreiche theoretische und experimentelle Untersuchungen an und simulieren Verbrennungsvorgänge am Rechner. Die Sicherheitsuntersuchungen für ITER befassen sich schwerpunktmäßig mit der Analyse von Wasserstoffverteilungsund Verbrennungsvorgängen. Werden Grenzwerte überschritten, entwickeln die Forscher Gegenmaßnahmen und weisen deren Wirksamkeit in dreidimensionalen Simulationsrechnungen nach. Außerdem untersuchen sie die verschiedenen für ITER relevanten Staubmischungen auf ihre Explosionseigenschaften und unterwerfen sie prototypischen Bedingungen für Aufwirbelung und Verbrennung, um vorhersagefähige Staubexplosionsmodelle zu entwickeln. 33