Kernkraftwerk Isar, Deutschland

Abgebrannten Kernbrennstoff Pool

Turbine eines Kernkraftwerks

Kernfusion

Die Kernfusion ist eine Kernreaktion, bei der die Kerne von zwei leichten Atomen, normalerweise Wasserstoff und Wasserstoffisotope (Deuterium und Tritium) zu einem schwereren Kern verschmelzen. Dabei werden Teilchen freigesetzt, im Fall von Deuteriumkernen wird zum Beispiel ein Neutron freigesetzt. Bei der Kernfusionsreaktion wird eine große Menge Energie in Form von Gammastrahlung freigesetzt oder aufgenommen. Dazu kommt die kinetische Energie der freigesetzten Teilchen. Diese große Energiemenge ermöglicht es der Materie in den Plasmazustand überzugehen.

Zwei Wasserstoffkerne verschmelzen zu Helium und setzen dabei Energie freiBei Reaktionen der Kernfusion kann Energie freigesetzt oder aufgenommen werden. Wenn die Kerne, die verschmelzen, eine geringere Masse haben als Eisen, wird Energie freigesetzt. Wenn sie eine größere Masse haben als Eisen, wird Energie aufgenommen.

Die Kernfusion darf nicht mit der Kernschmelze in einem Reaktor verwechselt werden. Zur Kernschmelze kann es kommen, wenn ein Reaktor aufgrund einer Störung am Kühlsystem überhitzt. Der Begriff Kernschmelze wurde besonders im Zusammenhang mit dem Atomunfall in Fukushima häufig verwendet.

Kernfusion in der Natur

Ein Beispiel für Kernfusion ist die Sonne, deren elektromagnetische Strahlung die Erde erreicht.In den Sternen, einschließlich der Sonne, treten ständig Kernfusionsreaktionen auf. Das Licht und die Wärme der Sonne sind das Ergebnis solcher Fusionsreaktionen: Wasserstoffkerne treffen aufeinander und verschmelzen zu einem schwereren Heliumkern. Dabei wird eine sehr große Menge Energie freigesetzt, die als elektromagnetische Strahlung die Erde erreicht.

Die Schwerkraft des Universums schafft die optimalen Bedingungen für die Kernfusion.

Die Kernfusionsreaktionen werden wegen der hohen Temperaturen auch thermonukleare Reaktionen genannt. Im Inneren der Sonne herrscht eine Temperatur von fast 15 Millionen Grad Celsius.

Technische Voraussetzungen für die Kernfusion

Die folgenden Voraussetzungen müssen erfüllt sein, damit eine Kernfusion stattfinden kann:

  • Es muss eine ausreichend hohe Temperatur erreicht werden, um die Elektronen vom Atomkern zu trennen. Der Atomkern muss sich einem anderen Atomkern trotz der elektrostatischen Abstoßung nähern. Die gasförmige Masse aus freien Elektronen und stark ionisierten Atomen wird Plasma genannt.
  • Es ist ein Einschluss erforderlich, um die hohe Temperatur des Plasmas während einem Mindestzeitraum aufrecht zu erhalten.
  • Die Dichte des Plasmas muss ausreichend sein, damit sich die Kerne eng beieinander befinden und Kernfusionsreaktionen möglich sind.

Einschluss für die Kernfusion

Die traditionellen Einschlussmethoden, die in Kernspaltungsreaktoren verwendet werden, können aufgrund der hohen Temperatur des Plasmas nicht eingesetzt werden. Deshalb wurden zwei wichtige Einschlussmethoden entwickelt:

  • Kernfusion durch Trägheitseinschluss: Es wird eine so hohe Teilchendichte aufgebaut, dass die Teilchen nicht entweichen können, ohne aufeinander zu treffen. Eine kleine Kugel aus Deuterium und Tritium wird mit einem Laserstrahl beschossen, sodass sie implodiert. So wird sie hundertmal dichter und explodiert als Folge der Kernfusionsreaktionen.
  • Kernfusion durch magnetischen Einschluss: Die elektrisch geladenen Plasmateilchen werden durch ein Magnetfeld auf kleinem Raum eingeschlossen. Das an weitesten entwickelte Gerät hat eine toroidale Geometrie und heißt Tokamak.

Kernfusionsreaktionen

Die normalerweise in Kernfusionsreaktionen verwendeten Atome sind Wasserstoff und seine Isotope: Deuterium (D) und Tritium (T). Die wichtigsten Fusionsreaktionen sind:

D + T -> 4He + n + 17,6 MeV
Bei der Fusion eines Deuteriumkerns mit einem Tritiumkern entstehen ein Helium aus zwei Neutronen und zwei Protonen. Es werden 1 Neutron und 17,6 MeV Energie freigesetzt.

D + D -> 3He + n + 3,2 MeV
Bei der Fusion von zwei Deuteriumkernen entsteht ein Helium aus zwei Protonen und einem Neutron. Es werden 1 Neutron und 3,2 MeV Energie freigesetzt.

D + D -> T + p + 4,03 MeV 
Bei der Fusion von zwei Deuteriumkernen entstehen ein Tritium, 1 Proton und 4,03 MeV Energie.

Damit diese Reaktionen stattfinden, muss den Kernen die notwendige kinetische Energie zugeführt werden, damit sie sich trotz der elektrostatischen Abstoßung annähern. Dafür muss das Gas auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt werden. Die erforderlichen Temperaturen entsprechen den Temperaturen, von denen wir annehmen, dass sie im Inneren der Sterne auftreten.

Die Voraussetzung für alle Kernfusionsreaktoren ist der Einschluss des Plasmas bei hohen Temperaturen und hoher Dichte während eines bestimmten Zeitraums und ohne dass Teilchen entweichen, sodass genügend Kernfusionsreaktionen auftreten, damit ein Netto-Energiegewinn erreicht wird. Ein Netto-Energiegewinn wird dann erreicht, wenn mehr Energie durch die Kernfusionsreaktionen freigesetzt wird, als zum Erhitzen und Einschließen des Plasmas erforderlich ist. Prinzipiell ist es möglich, 335 MJ pro Milligramm Deuterium-Tritium zu gewinnen.

Brennstoff für die Kernfusionsreaktionen

Für die Kernfusionsreaktionen sind leichte Atomkerne erforderlich. Hauptsächlich werden Deuterium und Tritium, zwei Wasserstoffisotope, eingesetzt.

Deuterium ist ein stabiles Wasserstoffisotop aus einen Proton und einem Neutron. Seine Häufigkeit im Wasser liegt bei 1 Deuteriumatom pro 6.500 Wasserstoffatome. Das bedeutet, dass die Konzentration von Deuterium im Meerwasser 34 Gramm/Kubikmeter beträgt. Der Energiegehalt von Deuterium ist so groß, dass aus dem in einem Liter Meerwasser enthaltenen Deuterium, so viel Energie gewonnen werden kann, wie aus 250 Litern Erdöl.

Deshalb und weil drei Viertel der Erde mit Wasser bedeckt sind, wird die Kernfusion als unerschöpfliche Energiequelle betrachtet.

Das andere bei der Kernfusion eingesetzte Element ist Tritium, ein instabiles und radioaktives Wasserstoffisotop. Es besteht aus einem Proton und zwei Neutronen und es zerfällt relativ schnell unter Emission von Betastrahlung. Tritium tritt in der Natur nur selten auf, kann aber durch Neutroneneinfang aus Lithiumistopen erzeugt werden. Lithium ist reichlich in der Erdkruste und im Meerwasser vorhanden.

Geschichte und zukünftige Projekte der Kernfusion

Die Idee der Kernfusion entstand um 1929, als Atkinson und Houtemans die Möglichkeit der Energiegewinnung durch Fusionsreaktionen erörterten. Die wichtigste Konzepte der Kernfusion und ihres Einsatzes wurden ab 1942 in den Arbeiten von H. Bethe, E. Fermi, R. Oppenheimer und E. Teller, et al., entwickelt. Die ersten technologischen Fortschritte wurden im Sherwood-Projekt gemacht, das die Entwicklung des magnetischen Einschlusses ermöglichte. Dabei wurden auch die ersten Anlagentypen entwickelt: Z-pinch, Stellarator und magnetische Flasche.

1961 entwickelten J. Nuckolls (USA) und N. Basov (UdSSR) eine Technik, mit der Kernfusionsreaktionen durch starke Komprimierungen aufgrund von Energieübertragung ausgelöst werden. Es gab Geheimprogramme in den USA und Russland, und später auch in Frankreich. Andere Länder, wie Deutschland, Japan, Italien und die USA (Rochester) entwickelten offene Programme.

1965 stellte Arzimowitsch die Ergebnisse seiner Forschung auf der Zweiten Konferenz über Plasma und kontrollierte Fusion vor. Dazu gehörte insbesondere das Konzept Tokamak (Toroidal Kamera MAgnetiK).

Innenansicht des JET TokamakDas Konzept Tokamak, das zum Einschluss des Plasmas nötige Magnetfeld, ist das Ergebnis der Kombination eines durch toroidale Spulen erzeugten toroidalen Feldes, eines ebenfalls durch toroidale Spulen erzeugten poloidalen Feldes und eines durch einen Transformator erzeugten vertikalen Feldes. Das Plasma wirkt als Sekundärwicklung des Transformators, der das Plasma mittels elektrischer Induktion erhitzt. Durch die Primärwicklung des Transformators fließt eine variable Stromdichte.

1968 meldete der Nobelpreisträger N. Basov das Erreichen der zur Zündung notwendigen Temperaturen und die Erzeugung von Neutronen bei Kernfusionsreaktionen unter Einsatz von Laserstrahlen. Seit dem wurde eine große Anzahl an Tokamak-Anlagen gebaut und in Betrieb genommen, wie zum Beispiel: TFR (Frankreich), T-4 und T-11 (UdSSR), ALCATOR und Ormak (USA). Bei T-10 (UdSSR), PLT (USA), DITE (GB), ASEDX (BRD) und FRASCATI (EURATOM-Italien) wurde mit dem Bau begonnen.

In den 70er Jahren gab es eine Reihe von Veröffentlichungen über Kernfusion durch Trägheitseinschluss. Brueckner, Nuckolls, Kidder und Clark waren die wichtigsten Forscher in den USA. In Russland führten Basov und sein Team das am weitesten fortgeschrittene Experiment durch: Sie setzten mit der Implosion von CD2-Kugeln etwa 3 Millionen Neutronen frei.

Diese Konzepte dienten als Grundlage für viele Laseranlagen, in denen die Forschung im Bereich Kernfusion weiter vorangetrieben wurde. Besonders erwähnenswert sind: NOVA (40 kJ, USA), OMEGA (30 kJ), GEKKO-XII (10 kJ, Japan), PHEBUS (3 kJ, Frankreich), VOLCAN (UK) und ISKRA-5 (Russland).

Aus diesen Laseranlagen wurden zwei Großprojekte entwickelt, um große Energiegewinne zu beweisen: National Ignition Facility (NIF) in den USA und Laser Megajoule (LMJ) in Frankreich.

Laser sind aber nicht die einzigen Geräte, mit denen Implosionen ausgelöst werden können. Auch Elektronen und Leicht- und Schwerionenstrahlen können für die Kernfusion durch Trägheitseinschluss eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang wurden folgende Projekte mit Leichtionenstrahlen begonnen: Angara und PROTO (Russland), PBFA-I und PBFA-II (USA).

Zu Schwerionenstrahlen gibt es noch keine genauen Ergebnisse, weil noch keine Versuche durchgeführt wurden. Es gibt lediglich Prognosen, die auf theoretische Simulationen basieren, wie  zum Beispiel dem Projekt HIDIF (Heavy Ion Design of Ignition Facility), das von verschiedenen europäischen Laboren und Instituten und dem amerikanischen Lawrence Berkeley Laboratory durchgeführt wird.

In den 90er Jahren wurde mit Tokamak-Anlagen - JET (EURATOM), TFTR (USA) und JT-60 (Japan) - erstmals eine gewisse Leistung erreicht. Die erste Anlage war JET, in der mit einer Mischung aus D (90%) und T (10%) 1991 eine Leistung von 1,7 MW erzielt wurde. Danach schaffte es TFTR 1993 mit einer Mischung aus D und T zu je 50% auf 6 MW und Temperaturen von 30 keV. Bei der Erhitzung wurden 29 MW verbraucht. Die TFTR-Anlage ist mittlerweile stillgelegt. Die JET-Anlage hat mit kontrollierten Kernfusionsreaktionen in mehr als einer Sekunde (JET, 1997) eine Leistung von bis zu 12 MW erreicht. Die Wissenschaftler sind zuversichtlich, dass es dank der aktuellen technologischen Fortschritte möglich sein wird, im Dauerbetrieb Hunderte von MW zu erzeugen.

Die Versuche zur Kernfusion durch magnetischen Einschluss wurden in Spanien im CIEMAT (Forschungszentrum für Energie, Umwelt und Technologie) durchgeführt. Dort wurde 1983 auch die erste Anlage zur Kernfusion, der Tokamak TJ-I, in Betrieb genommen.

Seit dem hat sich die Forschung ständig weiter entwickelt, bis 1994 die erste komplett in Spanien gebaute Kernfusionsanlage, der Stellerator TJ-I upgrade, in Betrieb genommen wurde. Mit Inbetriebnahme des TJ-II wurde diese 1999 der Universität Kiel überlassen.

Der TJ-II war ein großer Sprung im Vergleich zu den vorhergegangenen Versuchen. Er gilt zusammen mit dem deutschen Wendelstein 7-AS des Max Planck Instituts in München und dem japanischen LHD der Universität Nagoya als einer der drei am weitesten entwickelten Stelleratoren der Welt.

Das Projekt der Kernfusion durch magnetischen Einschluss: der ITER

Das am weitesten entwickelte Projekt im Bereich Kernfusion durch magnetischen Einschluss ist der ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), ein auf dem Tokamak-Konzept basierender Prototyp, mit dem die Zündung erreicht werden soll. Aufgrund der guten Ergebnisse des JET wurde 1990 beschlossen, das Fusionsprogramm in einer größeren Anlage weiterzuführen, in der neben dem Reaktor auch die Hilfssysteme getestet werden können, ohne dass bereits Elektrizität erzeugt wird. An diesem Projekt nehmen die Europäische Union, Kanada, USA, Japan und Russland teil.

Modell des Forschungsprojekts ITER zur KernfusionModell des Forschungsprojekts ITER zur Kernfusion

Das Ziel ist es, die technische und wirtschaftliche Machbarkeit der Kernfusion durch Magneteinschluss zur Energieerzeugung zu ermitteln. Danach soll eine kommerzielle Demonstrationsanlage gebaut werden.

ITER ist ein Technologieprojekt, für dessen Bau mindestens 10 Jahre benötigt werden. Für die Forschung sind 20 Jahre angesetzt. Zu den für den Bau und den späteren Betrieb eingesetzten Technologien gehören unter anderem Robotik, Supraleiter, Mikrowellen, Beschleuniger und Steuersysteme.

Die ITER-Anlage wird keine elektrische Energie erzeugen, sondern zum Testen von Lösungen für die Probleme dienen, die gelöst werden müssen, damit Kernfusionsreaktoren in der Zukunft realisierbar sind. Dieses ambitionierte Forschungsprojekt wird ab 2050 erste Ergebnisse liefern.

Die bisherigen Investitionen für den Bau werden auf etwa 5.000 Millionen Euro geschätzt. Die Betriebskosten werden 5.300 Millionen Euro und die Kosten für den Rückbau 430 Millionen Euro betragen. Das Land, in dem die Anlage gebaut wird (Frankreich), muss die Kosten für die Vorbereitung des Grundstücks und den Bau des Gebäudes tragen.

Der Standort des ITER

Für das Projekt standen drei Orte zur Wahl: Europa (Frankreich und Spanien), Kanada und Japan.

Die kanadische Regierung wollte des Projekt in Darlington bei Toronto ansiedeln. Japan präsentierte Rokkaishomura als Standort. Frankreich bot das Kernzentrum Cadarache an und Spanien schlug nach dem positiven Ergebnis der von CIEMAT durchgeführten Machbarkeitsstudie Vandellòs vor. An der Studie waren verschiedene Forschungsinstitute und Industrien beteiligt, insbesondere IBERTEF, das Konsortium aus Empresarios Agrupados und SENER.

Nach einem komplizierten Prozess der technologischen Beurteilung entschied die Europäische Kommission Ende 2003, als europäische Kandidatur den Standort in Cadarache, Frankreich anstatt Vandellòs, Spanien zu präsentieren.

Gewonnen hat am Ende die Kandidatur von Cadarache im Süden Frankreichs, wo mit dem Bau der Anlage begonnen wurde.

Standort des ITER - Kernfusion

Standort des ITER - Kernfusion

 

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Referenzen

Geändert am: 7. Mai 2014