26.01.2009 · Durch Kernverschmelzung Energie zu gewinnen, ohne Kohlendioxidproduktion oder nennenswerte Mengen an radioaktiver Strahlung, das verspricht der Fusionsreaktor. Die zu überwindenden Schwierigkeiten sind groß, doch der Erfindungsreichtum der Wissenschaftler und Techniker ist es auch.
Von Marlene Weiss
© Foto NIFS
So hübsch designt kann Fusionstechnik sein: der „Large Helical Device” des National Institute for Fusion Science in Japan
Allein aus Wasserstoff und Lithium große Mengen an Energie zu produzieren, ohne dabei Kohlendioxid zu emittieren oder nennenswerte Mengen an langlebigen radioaktiven Abfällen zu erzeugen, das verspricht die Kernfusion. Dass diese Vision nicht völlig abwegig ist, führt uns jeden Tag die Sonne vor Augen, in der Energie durch Kernfusion freigesetzt wird. Will man hier auf Erden Wasserstoffkerne miteinander zu Heliumkernen verschmelzen, muss man zunächst einen Weg finden, den heißen Brennstoff von seiner Umgebung zu isolieren.
Es gehe darum, die Sonne in eine Schachtel zu verpacken, wie der französische Physiker Sébastien Balibar treffend bemerkte, nur wisse noch niemand, wie die Schachtel zu konstruieren sei. Das ist in der Tat eine schwierige Aufgabe, denn das Plasma, in dem die Fusionsreaktionen ablaufen sollen, muss mit rund 150 Millionen Grad sogar etwa zehnmal so heiß sein wie die Sonne, soll es den niedrigeren Druck kompensieren. Ein solches Plasma kann nur in einer Art Thermosflasche aufbewahrt werden, in der das Plasma von komplizierten Magnetfeldern im Vakuum gehalten wird.
Plasma im Magentkäfig
Ein vielfach erprobtes Verfahren, ein Plasma im Magnetkäfig einzufangen, ist in den Reaktoren des sogenannten Tokamak-Typs realisiert. Das Plasma, ein Gas von geladenen Teilchen, befindet sich dabei in einem Torus, der von Magnetspulen umwickelt ist. Der Tokamak hat außerdem eine zentrale Magnetspule, die starke Strompulse im Innern des Plasmas erzeugt. Diese bauen ihrerseits das Magnetfeld auf, das das Plasma letztlich gefangen hält: Die schnellen geladenen Teilchen erzeugen also einen Teil ihres eigenen Magnetkäfigs.
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Fusionsanlage vom Typ Tokamak: Der „Asdex Upgrade” des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik
Der erste Fusionsreaktor, der - sofern alles nach Plan geht - mehr Energie produzieren soll, als für das Heizen des Plasmas verbraucht wird, wird nach diesem Prinzip konstruiert. Die Vorbereitungen für den Bau am Standort in Cadarache (Südfrankreich) haben begonnen, und 2018 soll die Anlage fertiggestellt sein. Der Projektname Iter stand ursprünglich für "Internationaler thermonuklearer experimenteller Reaktor", aber mittlerweile will man Iter nur noch in der lateinischen Bedeutung als "der Weg" verstanden wissen.
Herausforderungen für die Materialforschung
Dieser Weg zu einem Fusionskraftwerk ist jedoch noch weit. Eine der größten Schwierigkeiten besteht darin, das Plasma im Magnetkäfig zu stabilisieren. Forschern um Yijun Lin am Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist es jetzt gelungen, das Plasma in ihrem Testreaktor Alcator C-Mod durch das Heizen mit Radiowellen in gleichmäßige Rotation zu versetzen. So können die Wissenschaftler Turbulenzen innerhalb des Plasmas vermeiden. Zudem soll die Rotation mit verhindern, dass Teilchen in Kontakt mit den Reaktorwänden kommen. Wie die Gruppe in der Zeitschrift "Physical Review Letters" (Bd. 101, Nr. 235002) schreibt, könnte das Verfahren auch im Reaktor Iter erlauben, die Plasmarotation von außen zu steuern; denn Alcator C-Mod und Iter sind sich im Aufbau verhältnismäßig ähnlich. Das würde die Kontrollierbarkeit des heißen Gases erheblich verbessern.
Nicht nur die Stabilität des Plasmas ist eine technische Herausforderung, auch in der Materialforschung sind noch viele Fragen offen. Ähnlich wie die Kernspaltung setzt die Kernfusion Bindungsenergie frei, also die Energie, die die Nukleonen - Protonen und Neutronen - durch den Zusammenhalt im Atomkern gewinnen. Bei den leichten Kernen nimmt die Bindungsenergie pro Nukleon mit steigender Anzahl Nukleonen zu, bis hin zum Element Eisen; bei den schwereren Kernen nimmt sie wieder ab.
Darum lohnt es sich energetisch, sehr schwere Kerne in leichtere zu spalten, was in konventionellen Atomkraftwerken geschieht, aber auch, sehr leichte zu schwereren zu verschmelzen. Letzterer Prozess findet bei der Kernfusion statt. Treffen die schweren Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium, die je ein Proton und ein beziehungsweise zwei zusätzliche Neutronen enthalten, mit hoher Geschwindigkeit aufeinander, entsteht ein Heliumkern mit zwei Protonen und zwei Neutronen. Die gewonnene Bindungsenergie wird in Form eines schnellen zusätzlichen Neutrons frei.
Das überschüssige Neutron verlässt das Plasma und trifft in der Verkleidung der Gefäßwand, dem sogenannten Blanket, auf Lithium. Dabei wird das in der Natur recht seltene Wasserstoffisotop Tritium gewonnen, das für den Brennstoffkreislauf benötigt wird. Zuvor gibt das bei der Fusion emittierte Neutron seine Energie in Form von Wärme an das Blanket ab. In einem Fusionskraftwerk würde diese Wärme über einen Dampferzeuger zur Stromproduktion verwendet.
Stellerator und Large Helical Device
Der permanente Beschuss mit hochenergetischen Neutronen stellt für die Materialforschung eine Herausforderung dar, denn ein Material, das diese Belastung langfristig verlässlich aushält, muss erst noch entwickelt werden. Dazu ist eine eigene Testanlage (Ifmif, "International Fusion Materials Irradiation Facility") geplant. Sie soll gleichzeitig mit Iter in Betrieb gehen und die Konstruktion von "Demo" vorbereiten, dem als Nachfolger von Iter geplanten Prototyp eines kommerziellen Fusionskraftwerks, dessen Bau um 2035 beginnen soll.
Der große Nachteil von Reaktoren des Tokamak-Typs ist, dass der Magnetkäfig nur mit Strompulsen erzeugt werden kann. Ohne schwer zu realisierende Zusatzmaßnahmen wie starke Druckgradienten können diese Reaktoren daher nicht kontinuierlich arbeiten. Dies leisten hingegen die Reaktoren vom Typ "Stellarator", in denen Magnetspulen den gesamten Magnetkäfig erzeugen, ohne dass ein pulsierender Strom im Plasma induziert werden muss. Der bislang größte solche Forschungsreaktor ist der seit 1998 in Japan entwickelte und betriebene LHD ("Large Helical Device"), ein sogenanntes Heliotron, dessen Spulen sich schraubenförmig um den Plasmaring winden.
Noch fortschrittlicher wird der Stellarator Wendelstein 7-X sein, den das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik momentan in Greifswald baut. Dank der Rechenleistung moderner Computer war es möglich, die Anordnung der Magnetspulen direkt für den Kraftwerksbetrieb zu optimieren. Dadurch soll die Qualität des Plasmaeinschlusses derjenigen in einem Tokamak mindestens ebenbürtig sein - mit dem zusätzlichen Vorteil, dass der Reaktor dauerhaft betrieben werden kann. Wendelstein 7-X soll 2015 fertiggestellt werden, drei Jahre vor Iter. Wenn sich die Konstruktion bewährt, so Hartmut Zohm vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, könnte das erste Fusionskraftwerk durchaus ein Stellarator sein, den er für das eigentlich bessere Konzept hält. Weil Stellaratoren allerdings insbesondere wegen der Erzeugung des komplexen Magnetfeldes technisch extrem aufwendig sind, folgen nicht alle Plasmaforscher dieser Sicht. Marlene Weiss
Zu grosser Optimismus
Horst Trummler (Vandale6906)
- 26.01.2009, 08:37 Uhr
Die Fusion ...
Frank Geiser (geiser123)
- 27.01.2009, 05:18 Uhr
Warum sich ärgern?
Dietrich Chrzünsz (4DADDY)
- 27.01.2009, 14:24 Uhr
Fusionsreaktoren produzieren keine tausende Jahre strahlende Abfälle
André Mengel (andre-m)
- 28.01.2009, 17:28 Uhr
Medienpropaganda statt Nachdenken
Horst Trummler (Vandale6906)
- 28.01.2009, 21:45 Uhr
