Können wir die Kernfusion zum Erfolg bringen? Eine realistische Analyse

11 Minuten

Aktualisiert am: 14 Dec 2020

Im Kern der Sonne erfolgt die Fusion unter starkem Druck und bei Temperaturen von 15.000.000°C . Können wir wirklich solche Bedingungen auf der Erde schaffen? Ja, können wir!

Image of Earthly schweißt sich eine Sonne

Earthly schweißt sich eine Sonne

Es gibt diverse Arten von Fusionsreaktoren, an denen eine Vielzahl von Unternehmen und Forschergruppen arbeitet . Einige versuchen sich sogar an anderen Brennstoffen als Deuterium und Tritium . Um diesen Artikel bündig zu halten, behandeln wir lediglich den derzeit (Stand: 2020) weit verbreitetsten Reaktortyp, den Tokamak, im Detail . Falls du dich für die anderen Reaktoren interessierst, schau doch mal ins Kapitel "Offene Probleme"!

Die 3 verrückten Voraussetzungen für die Fusion

Das Ziel ist klar: Um Deuterium und Tritium zu fusionieren, müssen wir dafür sorgen, dass sich deren Atomkerne berühren. Dazu sollten wir natürlich weniger Energie einsetzen als bei der Fusion frei wird.

Voraussetzung 1: Herstellung eines Plasmas. Bevor die Atomkerne zusammengeführt werden können, müssen wir zunächst die Elektronen abspalten. Dazu erhitzt man das Gemisch auf über 100.000.000°C . Die dabei entstehenden freien Elektronen und Atomkerne bilden ein Plasma, was - neben dem festen, flüssigen und gasförmigen Zustand - den vierten Zustand von Materie darstellt :

Image of Plasma - der vierte Zustand der Materie

Plasma - der vierte Zustand der Materie

Schritt 2: Dichte: Die Dichte gibt an, wie viele Teilchen sich in einem bestimmten Volumen befinden. Im Falle der Fusion wollen wir jede Menge Deuterium und Tritium (also eine hohe Dichte) im Fusionsreaktor haben .

Schritt 3: Einschluss?: Wo bewahren wir dieses extrem heiße, unter hohem Druck stehende Plasma auf? Wir brauchen einen speziellen Behälter, der diesen Bedingungen für relativ lange Zeit standhalten kann . Dabei hat die Forschung rasante Fortschritte gemacht: Betrug die Einschlussdauer in 2013 lediglich 30 Sekunden , so waren es 2017 bereits 101,2 Sekunden (dieser Rekord hat auch in 2020 noch Bestand) .

Image of Voraussetzungen für die Fusion

Voraussetzungen für die Fusion

Wann ist ein Fusionsreaktor gut genug?

In der Fusionsforschung und und ihrer Anwendung gibt es zwei große Ziele:

  1. Wissenschaftlicher Erfolg: Reaktoren erzeugen mehr Energie als sie im Betrieb benötigen.
  2. Günstige Energie: Die Kosten sind gering und die Effizienz ist hoch genug, um Energie preiswert zu gewinnen.

Bisher haben wir noch nicht einmal das erste Ziel erreicht .

Das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsenergie wird oft als „Q“ bezeichnet .

Image of Netto-Energieerzeugung bei der Fusion

Netto-Energieerzeugung bei der Fusion

Um Q zu erhöhen, können wir zwei Dinge tun:

  1. Weniger Energie verbrauchen
  2. Mehr Energie erzeugen

Es hat sich herausgestellt, dass diese beiden Lösungen eng miteinander verknüpft sind. Da im Prozess immer mehr Fusionsreaktionen ablaufen, erhitzt sich das Plasma von selbst. Folglich müssen wir weniger Energie zum Aufheizen einsetzen . Ab einem gewissen Punkt kommt man sogar ohne externe Heizung aus !

In den letzten 60 Jahren haben Forscher an vielen verschieden Methoden gearbeitet, um den Prozess ideal zu nutzen . Leider liegen nahezu alle der dabei entwickelten Designs bei einem Q-Wert von 0.000001 bis 0.0001 . Ein Typ hat jedoch Q=0,65 erreicht: der Tokamak .

Schauen wir uns mal an, wie dieser funktioniert!

„Tokamak“ - der Fusions-Donut

Image of Tokamak: vom Deuterium zum Strom

Tokamak: vom Deuterium zum Strom

Erinnert euch an unsere drei Probleme:

  1. Erwärmung des Plasmas auf rund 100.000.000°C .
  2. Dichte .
  3. Aufrechterhalten des Plasmas für Minuten statt Sekunden .

Durch den Einsatz starker Magnetfelder erfüllt der Tokamak gleichzeitig die Anforderungen an den Einschluss und die Dichte des Plasmas . Diese Magnetfelder halten die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen Atomkerne in einem donutförmigen Behälter. Da die Magnete rund um das Plasma aufgebaut sind, wird ein hoher Druck - und damit eine hohe Dichte - im Plasma erzeugt .

Atme kurz durch und lehn dich zurück. Es ist wichtig, dass du bisher alles verstanden hast, weil wir uns nun einige Probleme der Fusionstechnologie anschauen, an denen Forscher derzeit arbeiten.

Image of Energie-Donut!

Energie-Donut!

Woher kommen Deuterium und Tritium?

Deuterium ist leicht zu finden und in ausreichender Menge vorhanden: Man findet es im Meerwasser . Anders verhält es sich beim Tritium. Davon werden lediglich einige Kilogramm im Jahr auf natürlichem Weg erzeugt und es gibt bisher keine "Tritium-Fabrik" . Derzeit wird das benötigte Tritium aus dem radioaktiven Abfall der Kernkraftwerke gewonnen . Aber woher bekommen wir es, wenn wir diese irgendwann abschalten?

Es gibt zum Glück eine Möglichkeit, das Tritium direkt im Fusionsreaktor zu erzeugen . In der Theorie können wir ein zusätzliches Neutron verwenden, um Tritium aus Deuterium darzustellen! Die Gesamtreaktion nutzt dann Deuterium (1p1n) sowie Lithium-6 (3p6n) als Ausgangstoffe und erzeugt Helium :

Image of Tritium-Brüten

Tritium-Brüten

Bei der Verwendung von Lithium-6 zur Darstellung von Tritium bringt zusätzliche Energie in das System . Das macht diese Art der Gewinnung in der Praxis sehr kompliziert und sie ist daher Gegenstand aktueller Forschung, obgleich mit ungewissem Ausgang .

Wie können wir Energie aus einem Tokamak bekommen?!

So weit, so gut. Wir haben Deuterium und Tritium. Wir können sie aufheizen und die Fusion ablaufen lassen. Aber wie bringen wir die Energie aus dem Reaktor heraus?

Erinnere dich, dass Neutronen keine Ladung haben. Magnetfelder interagieren nur mit geladenen Teilchen. Das bedeutet, dass das Magnetfeld - so stark es auch sein mag - die schnellen Neutronen aus den Fusionsreaktionen nicht einschließen kann.

Diese schnellen Neutronen sind sowohl der wertvollste als auch der problematischste Aspekt der Fusion. Wertvoll, weil wir ihre Geschwindigkeit als Energie nutzen , und problematisch, weil sie die Wände des Reaktors beschädigen . Wie können wir das lösen?

Image of Das Blanket

Das Blanket

In der obigen Grafik siehst du die sogenannte Blanket-Schicht zwischen dem Plasma und den Magneten . The schnellen Neutronen werden darin abgebremst und die dabei freiwerdende kinetische Energie erwärmt das Blanket . Damit können wir Wasser erhitzen, womit dann eine Dampfturbine betrieben wird (auf gleiche Weise funktionieren Kern- und Kohlekraftwerke).

Das funktioniert gut in der Theorie. Es ist jedoch kompliziert, ein Blanket herzustellen, das effizient und zugleich widerstandsfähig gegenüber den schnellen Neutronen ist .

Wie können wir Tokamaks verbessern?

Neben den Problemen rund um das Blanket haben wir noch immer nicht Q>1 erreicht. Es gibt zwei besonders wichtige Variablen in einem Fusionsreaktor, mit denen wir beeinflussen können, wie viel Energie in einem Fusionsreaktor freigesetzt wird :

  1. R: Der Radius des Tokamaks
  2. B: Die Stärke des Magnetfelds

Wie groß muss also ein Reaktor sein, um einen hinreichend großen Q-Wert zu garantieren? ITER ist weltweit größter Experiment mit dem Ziel, Q=10 zu erreichen. Wie groß ist der ITER-Reaktor?

Image of ITER-Reaktor

ITER-Reaktor

Siehst du die Person am Boden? Das Ding ist RIESIG.

Wegen seiner Größe hat ITER mehr als zehn Milliarden Dollar gekostet und sein Bau dauert Jahrzehnte . Erinnerst du dich an den Q-Graphen von vorher? Hast du dich gewundert, warum er so plötzlich aufgehört hat? Nun weißt du warum! Die Reaktoren werden ganz einfach zu groß und es dauert damit zu lange, sie zu bauen.

Image of Fusion über die Zeit

Fusion über die Zeit

Die Zahl auf der y-Achse ist hier das so genannte "Dreifachprodukt" der Fusion. Es ist ein grober Indikator dafür, wie viel Leistung ein Fusionsreaktor erzeugt und wird als Produkt der drei Hauptmerkmale eines Fusionsreaktors definiert:

Image of Dreifachprodukt der Fusion

Dreifachprodukt der Fusion

ITER ist ein wissenschaftliches Experiment und kein kommerzieller Reaktor . Ein solcher Reaktor würde wahrscheinlich noch größer sein . Man kann den Radius (R) aber natürlich nicht beliebig erhöhen. Wie sieht es mit der Magnetfeldstärke (B) aus?

Könnten stärkere Magnete Reaktoren kleiner und billiger machen?

Image of ITER gegen ARC

ITER gegen ARC

Das Magnetfeld wird dadurch erzeugt, dass wir Strom durch Spulen außerhalb des Tokamaks fließen lassen. Durch den spezifischen Widerstand der Leiter geht dabei aber Energie in Form von Wärme verloren . Manche Materialien - sogenannte Supraleiter - haben einen vernachlässigbaren spezifischen Widerstand und daher geht fast keine Energie verloren .

Neue Forschungsarbeiten an supraleitenden REBCO-Magneten (Rare Earth Barium Copper Oxide) zeigen, dass die Magnetfeldstärke (B) nahezu verdoppelt werden kann ! Der limitierende Faktor ist jetzt die Haltbarkeit des Stahls und Betons, die den Reaktor zusammenhalten. Bei voller Leistung würden die Magnete den Reaktor zereißen .

Der Einsatz von REBCO-Magneten ist höchstwahrscheinlich ein wichtiger Fortschritt in Richtung wirtschaftlicher Fusionsreaktoren mit Q>1 .

Wichtig: ITER benutzt noch alte, schwächere Supraleiter .

Zusammenfassung

Fusion war stets eine "Zukunftstechnologie", aber wir kommen Q=1 bereits nahe .

Unternehmen und Arbeitsgruppen an Universitäten arbeiten derzeit daran, REBCO-Magnete in Tokamak-Reaktoren zu integrieren . Ihr Fortschritt wird ein zentraler Indikator für das Potential der gesamten Fusionstechnologie sein . Die Suche nach Q>1 ist jedoch nicht das einzige Problem in der Fusionsforschung.

Es gibt viele ungelöste Probleme in der Blanket-Technology, dem Tritiumbrüten sowie der Reaktorsicherheit . Das macht Zukunftsaussichten der Fusion ungewiss. Es ist jedoch sehr wahrscheinlich, dass wir innerhalb der nächsten Jahrzehnte wissen werden, ob die Fusionstechnologie tatsächlich eine unerschöpfliche Quelle sauberer Energie ist, wie ihre Befürworter nicht müde werden zu betonen.

Nächstes Kapitel