Kernfusion - einleitung, arten, nachwort

Einleitung: (Folie 1)/ Über neunzig Prozent des Weltenergiebedarfs wird heute aus fossilen Energiequellen gedeckt. Die gegenwärtige Versorgungssicherheit lässt leicht vergessen, dass Klimaveränderung, begrenzte Brennstoff-Vorräte und politische Instabilitäten auf längere Sicht ein neues Energiesystem verlangen - weg von Kohle, Erdöl und Erdgas.

Hierfür ist die Fusion - neben Erneuerbaren und Kernspaltung - die einzige weitere Option. Die Fusion könnte einen nachhaltigen Beitrag zur Energieversorgung der Zukunft leisten, oder wird es ein Milliardengrab, wie manche behaupten? Ich möchte euch heute ein bisschen mehr dazu erzählen:



1.Arten:

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Ein Kernfusionskraftwerk soll ähnlich wie die Sonne ungeheure Mengen von Energie aus der Verschmelzung von leichten Atomkernen gewinnen.



An Kernfusionsreaktoren wir seit etwa 1960 geforscht. Die grundlegenden nuklearen Reaktionen und deren Potenzial zur Energiefreisetzung sind durch die Entwicklung der Wasserstoffbombe bestens bekannt, jedoch verläuft dort die Reaktion unkontrolliert. Die erste kontrollierte Kernfusion gelang 1970 mit Tokamak 3 in der Sowjetunion. Bevorzugt wird derzeit über die Verschmelzung der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium geforscht, aber dazu später.



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Es gibt heutzutage zwei verschiedene Arten von Fusions-Testreaktoren, die als spätere Fusionskraftwerke in Frage kommen, die einen sind vom Typ Tokamak und die anderen sind vom Typ Stellarator.

(durch klicken auf Stellarator zur Folie 4)

Der Stellarator ist in sich selbstgewunden, wie man hier sieht, und macht so einen Dauerbetrieb möglich.

(durch klicken zur Folie 3 und dann durch klicken auf Tokamak zur Folie 5)

Der Tokamak arbeitet nur im Pulsbetrieb, da er wie man an dem Bild sieht, nicht in sich selbstgewunden ist.

Jetzt kommen wir zum Aufbau des Tokamaks:



2. Aufbau und Funktion des Tokamaks:

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Man sieht hier einen Menschen abgebildet. Dies soll als Größenvergleich dienen, so dass wir uns ungefähr vorstellen können, wie groß der Reaktor eigentlich ist. Wie man sieht ist um den Reaktor ein Schutzschild angebracht, welches wie bei einem Atomkraftwerk die radioaktive Strahlung abfängt. Der Kern des Reaktors besteht aus der Reaktionskammer, der das Plasma und den Brennstoffen für die Reaktion enthält. Die Druckpumpe erzeugt das benötigte Vakuum um die Reaktion statt finden zu lassen. Und wenn noch weitere Bedingungen erfüllt sind, wie zum Beispiel, dass das Plasma eingeschlossen, auf 100 Millionen Grad erhitzt, sowie gegen Abkühlung geschützt ist, dann können die energieliefernden Verschmelzungsprozesse starten.

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Nach langen Forschungen kam man zum Ergebnis, dass man die größte Energieausbeute bekommt, wenn man die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium miteinander reagieren lässt. Mit einer hohen Geschwindigkeit rasen Deuterium- und Tritiumkerne aufeinander zu. Das Deuterium auch "schwerer Wasserstoff" genannt, besteht aus einem Proton und einem Neutron im Atomkern. Das radioaktive Tritium auch als "überschwerer Wasserstoff" bekannt, besteht aus einem Proton und zwei Neutronen. (durch klicken zur Folie 8)

Wenn sie zusammenstoßen, entstehen ein Heliumkern, der aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht, und ein einzelnes Neutron. Damit die Heliumkerne nicht ausbrechen werden starke Magnete ( die wir später noch sehen werden) eingesetzt, so dass die positiv geladene Teilchen zunächst im Magnetfeldkäfig gefangen bleiben, während die Neutronen als Neutralteilchen das Fusionsgemisch ungehindert verlassen können. Die Wände sind aus Edelstahl da es eine geringe Leitfähigkeit hat und somit nicht die freien Neutronen aufnehmen kann.

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Im brutfähigen Mantel reagieren die Neutronen mit Lithium, um wieder Tritium herzustellen. Das Helium als heiße und eingeschlossene Asche der Fusion unterstützt die nachfolgenden Reaktionen, bevor es aus dem Vakuumgefäß abgesaugt wird. Diese Reaktion läuft solange ab bis entweder kein Deuterium oder kein Lithium mehr vorhanden ist, der Reaktor abgeschalten wird oder ein Stromausfall eintritt.

(durch klicken zur Folie 6)

Hier sehen wir die starken Magnete, und da sie sehr viel Energie benötigen, versucht man dieses Problem mit Hilfe von Supraleitern zu bewältigen. Um die Fusion betreiben und in Gang halten zu können, werden viele Kabel und Röhren für die elektrische Ab- und Zuleitung benötigt. Des weiteren werden noch große Kühler eingesetzt welche die supraleitenden Magnete auf circa 250 Grad herabkühlen. Über Rohre werden Kühlflüssigkeit und Brennstoffe zugeführt und wie vorher schon gesagt auch das entstehende Helium abgesaugt. Die hier zusehende Kammerhülle ist, wie oben schon genannt, aus Spezialstahl, also aus Edelstahl und Lithium angefertigt,

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sie fängt die Wärme auf und leitet sie in den Wärmetauscher, zum Dampfgenerator über die Turbinen. So wird wie in einem herkömmlichen Kraftwerk Wärme in Elektrizität umgewandelt. Hier sieht man auch noch mal schön, wie das Deuterium und das Tritium zusammen- und abgeleitet werden, genauso wie das Helium hier.



3. Vorteile der Kernfusionsreaktoren:

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- Kernfusionsreaktoren liefern eine große Menge an elektrischer Energie. In der Bewegungsenergie der Neutronen stecken rund 80 % der Fusionsenergie. Wobei sich aus einem Gramm dieses Brennstoffs durch Kernverschmelzung 50.000 Kilowattstunden Energie gewinnen lassen.



- Der für die Fusion benötigte Brennstoff Tritium kann im Fusionsreaktor selbst erzeugt werden und das Deuterium, das ebenfalls benötigt wird, ist zu 0,016% im Wasser enthalten und somit fast unbegrenzt verfügbar. Der Brennstoff ist also langfristig vorhanden, preiswert und weit verbreitetet, was wiederum zu keiner politischen Abhängigkeit führen würde, wie es zum Beispiel bei Öl oder Erdgas der Fall ist.



- In der Reaktion werden keine Abgase ausgestoßen. Insbesondere keine Treibgasen also keine Kohlenstoffdioxid, Schwefeldioxid und Stickoxiden usw. .



- Es fallen praktisch keine Transporte für die Brennstoffver- und entsorgung an

Bei der Fusion von Deuterium und Tritium entstehen keine radioaktiven Spaltprodukte, sondern nur das nicht radioaktive Helium, d. h. es fällt keine Brennstoffentsorgung an und der Brennstofftransport beschränkt sich auf die Brennstoffversorgung. Das wollen wir uns mal näher ansehen.

(durch klicken auf "es fallen praktisch keine Transporte ..."zur Folie 12)

è Wie man hier sieht ist hier der Jahresverbrauch der einzelnen Energiesysteme dargestellt. Die Menge von den Stoffen, die man bei der Kernfusion benötigt ist sehr gering nur "einen Lieferwagen",(d.h. bei einem Jahresverbrauch von 1000MW sind dies 100 kg Deuterium und 150 kg Tritium) im Gegensatz zur Kohle, für die man 21.010 Güterwagonladungen benötigt oder zum Öl, das mit 10.000.000 Fässer den zweit meisten Transport braucht, oder aber auch zur Kernspaltung, in der man eine Güterwagonladung braucht.

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- Es wird nie eine Kettenreaktion stattfinden, die außer Kontrolle geraten kann, da zum einen die Zündbedingungen mit großem Aufwand aufrechterhalten werden müssen und zum anderen das Brennstoffinventar im Reaktor klein ist.

(durch klicken auf Keine Kettenreaktion..." zur Folie 13)



4. Nachteile der Kernfusionsreaktoren:



- Die Fusionstechnologie ist auch kein völlig sauberes, also radioaktivitätsfreies Verfahren. Denn die bei der Fusion entstehenden Neutronen aktivieren das Material des Reaktors.



- Der radioaktive Metallabfall muss aber am Ende der Lebensdauer des Reaktors entsorgt werden. Dazu benötigt man Endlager. Allerdings rechnet man mit einer nötigen Endlagerungszeit von "nur" 50 Jahren, bis zur möglichen Wiederverwertung des Materials, was im Vergleich zu den Abfällen der Kernspaltung, welche Milliarden von Jahren zur Endlagerungszeit benötigen, sehr sehr kurz ist.



- Das im Reaktor verwendete und erbrütete Tritium ist radioaktiv, so dass nach Inbetriebnahme der Reaktor nur noch mit dementsprechender Schutzausrüstung zugänglich ist. Reparaturen und Wartungsarbeiten am Reaktor müssen daher großenteils ferngesteuert ausgeführt werden.



- Die Leistung muss 1 bis 2 GW pro Block groß sein, um rentabel zu sein



- Materialermüdung heißt, dass durch den Zusammenstoß von Neutronen aus dem Reaktorkern mit festen Atomen kinetische Energie übertragen wird. Dadurch überlagern sich die Atomrümpfe von ihren Gitterplätzen und es entstehen Leerstellen(Hohlräume). Die Materialeigenschaften verändern sich und das Material verhärtet sich und wird spröde.



- Im jetzigen Forschungsstand/Moment nehmen sie noch mehr Energie von der Fusion als sie liefern.



-#Fusionskraftwerke werden sehr kapitalintensive Großprojekte sein. Hohe Anschaffungskosten rund 4,8 Mrd. und Betriebskosten in 30 Jahre noch mal soviel. Selbst die Befürworter der Kernfusion gehen davon aus, dass die Stromerzeugungskosten aus heutiger Sicht eher höher als bei konkurrierenden Technologien liegen werden: bei mindestens 5 Cent, sehr wahrscheinlich aber eher bei 20 Cent pro Kilowattstunde. Windkraft ist heute schon sehr viel billiger. Allerdings werden die Preise in den nächsten Jahren sowieso steigen.



- Damit steigt das Risiko, dass Plutonium - also waffenfähiges Material - aus dem angeblich geschlossenen Kreislauf abgezweigt wird. Die neuen Reaktoren sollen weltweit, auch in Entwicklungsländer, exportiert werden. Staaten mit dem Willen, die Atombombe zu entwickeln, haben damit leichten Zugang zur Atomtechnologie.

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5. Nachwort:

Die Fusionsversuche in aller Welt zeigen, dass die Bewältigung der kontrollierten Kernfusion derzeit unmöglich ist. Bisher ist es noch nicht gelungen, Kernfusionsreaktoren zu bauen, die dauerhaft mehr Energie liefern, als sie für die Fusion aufnehmen müssen. Und Ob eine kontrollierte Kernfusion zur Energiegewinnung jemals möglich sein wird, ist fraglich. Frühestens steht sie in einigen Jahrzehnten zur Verfügung. Bis dahin müssen Milliarden eingesetzt werden, die für die Forschung, Entwicklung und breite Anwendung erneuerbarer Energien und Energieeffizienzmaßnahmen fehlen. Kernfusion könnte sich als ein Milliardengrab erweisen. Sollte es allerdings gelingen, so sollen Kernfusionsreaktoren einmal die Grundlast der Stromversorgung sichern bzw. abdecken. Reine Kernfusionsanlagen gibt es ja bereits zu genüge, jedoch wird die wirtschaftliche Nutzung dieser Energieerzeugung den Forscherteams auf der ganzen Welt noch einige Stolpersteine in den Weg legen. Es gibt jedoch schon heute viele erfolgsversprechende Forschungsansätze.

6. Beispiele:

Die zwei bedeutendsten Projekte der Kernfusionsforschung sind das europäische Tokamak- Experiment Joint European Torus genannt JET, der seit 1983 in Großbritannien betrieben wird und der in weltweiter Zusammenarbeit geplante experimentelle Fusionsreaktor Internationaler Thermonuklearer Experimental-Reaktor genannt ITER, der erst 2008 in betrieb genommen wird.