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FORSCHUNG/454: Das ambitionierte Fusionsabenteuer (FTE info)


FTE info - Sonderausgabe EIROforum - Februar 2007
Magazin über europäische Forschung

Das ambitionierte Fusionsabenteuer


Bereits vor einem halben Jahrhundert haben Physiker sich mit der Vorstellung beschäftigt, dass die stellare Kernsynthese auf der Erde reproduziert werden könnte und so eine unerschöpfliche Energiequelle liefern würde. Der Artikel gibt einen Überblick über diese lange wissenschaftliche Suche, in der Europa eine Vorreiterrolle gespielt hat. Der Baubeginn des ITER markiert eine neue wichtige Etappe in dieser Entwicklung.


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Als das Universum erst einige Minuten alt war, bestand es aus einem einzigen Element: Wasserstoff. Es mussten erst rund eine Milliarde Jahre nach dem Big Bang vergehen, bis Sterne geboren wurden. Sie bildeten sich, als große driftende Wasserstoffwolken durch Gravitationskräfte damit begannen sich zusammenzuziehen. Diese Kontraktion wird von einer außergewöhnlichen Temperaturerhöhung begleitet, bei der der Wasserstoff in den Plasmazustand übergeht: Durch die Erhöhung der Temperatur werden die Elektronen von den Kernen getrennt, an die sie gebunden sind. Dieser Plasmazustand zeichnet sich durch eine Anhäufung gasförmiger Wasserstoff-Ionen aus, d.h. positiv geladener Kerne.

Die gleichzeitige Existenz von Ladungen mit demselben Vorzeichen überträgt sich zunächst durch elektrostatische Abstoßungskräfte, wodurch die Ladungen in einem bestimmten Abstand voneinander gehalten werden. Aber wenn die Temperaturen im Plasma ansteigen, wird die elektrostatische Abstoßung durch eine starke nukleare Wechselwirkung verdrängt, die ins Spiel kommt. Die hat zwar nur eine kurze Reichweite, ist aber extrem stark. Ganz plötzlich ziehen sich zwei Kerne unter dem Einfluss dieser Kraft gegenseitig an und fusionieren. Aus dieser Fusion von Wasserstoffkernen (mit der Atommasse 1) entsteht Helium (mit der Atommasse 2), das zweite Element, das im Universum erschienen ist. Gleichzeitig führt der Masseverlust aus diesem Prozess zu einer enormen Energiefreisetzung. Diese trägt zur Fortpflanzung des Fusionsphänomens bei (1).


Der Traum der Wissenschaftler

Auf diese Weise wurden unzählige Sterne im Universum geboren, die Schmelztiegel für eine ungeheure Produktion von Materie und Energie durch Kernfusionsprozesse sind, angefangen bei unserer Sonne, Hauptlieferantin der auf unserer Erde verfügbaren Energien.

Aber seit die Wissenschaft vor rund einem halben Jahrhundert den Grundstein für die stellare Kernsynthese gelegt hat, geistert ein ehrgeiziger Traum durch die Gehirne der Physiker. Wenn man es schaffen würde, auf der Erde den Kernfusionsprozess zu reproduzieren und aus technologischer Sicht zu kontrollieren, dann stünde der Menschheit eine unglaubliche und praktisch unerschöpfliche Energiequelle zur Verfügung.

Dieser potentielle Überfluss stützt sich auf eine doppelte Feststellung. Auf der Grundlage von Plasma, das nur wenige Gramm schwere Wasserstoff-Ionen enthält, könnte eine Fusionsreaktion hervorgerufen werden, die sofort eine Energie freisetzt, die mit der Produktion eines großen Elektrizitätswerkes vergleichbar wäre (2). Darüber hinaus ist Wasserstoff das grundlegendste Element, das nicht nur im Universum, sondern auch auf unserem Planeten, angefangen bei der Zusammensetzung von Wasser, in unendlichen Mengen zur Verfügung steht.

Das Interesse an der Kernfusion gründet auch auf der Tatsache, dass diese die bislang bestehenden Risiken bei der zivilen Nutzung der Kernenergie eliminiert. Im Gegensatz zur Spaltung schwerer Uranatome, mit der die weltweite Atomwirtschaft funktionert, kann die Fusion keine "Kettenreaktion" verursachen wie in Tschernobyl. Bei der Kernfusion fallen keine radioaktiven Abfälle an, die entfernt oder wiederverwertet werden müssen. Radioaktivität mit einer begrenzten Lebensdauer einiger Jahrzehnte wird zwischen den Wänden des Reaktors zurückgehalten. Und schließlich wird diese Energieform als eine wesentliche Alternative zur Nutzung fossiler Brennstoffe vorgeschlagen, was in Zeiten des Klimawandels einen nicht zu unterschätzenden Vorteil darstellt.


Ein langer Weg

Selbst wenn die Gleichung für die Fusion zweier Atome mit der verwirrend einfachen Formel einer Addition von sehr wenigen Wasserstoffkernen dargestellt wird, ist der lange Weg der Fusionsforschung, der seit fünfzig Jahren beschritten wird, noch nicht am Ende angelangt. Nachdem die Entscheidung zum Bau des ITER getroffen wurde, konnten Einschätzungen vorgenommen werden, denen zufolge die industrielle Nutzung der Fusionsenergie erst in weiteren 50 Jahren erreicht sein wird. Denn die wahre Herausforderung ist und bleibt, die "Sonne auf der Erde zur reproduzieren", das heißt, einen Prozess hervorzurufen, der nur in einem Temperaturbereich von rund 150 Millionen Grad Celsius möglich ist und unsere Vorstellungskraft weit übersteigt.

Die Forscher mussten zunächst den atomaren, also fusionierbaren Brennstoff auswählen. Unter allen möglichen Reaktionen, fiel die Wahl auf die Fusion von Deuterium und Tritium, zwei leicht zu gewinnenden schweren Wasserstoffisotopen. Das natürliche Hauptreservoir für Deuterium sind die Ozeane, aus denen man im Schnitt 35 g Deuterium pro Kubikmeter Wasser gewinnen kann. Tritium, ein radioaktives Element mit einer Halbwertszeit von ungefähr zwölf Jahren, kommt dagegen in der Natur nur sehr selten vor. Allerdings kann es sehr leicht in einem Fusionsreaktor selbst aus Lithium hergestellt werden, einem leichten Metall, das in der Erdkruste in unendlichen Mengen vorkommt.

Um einen Fusionsreaktor zu betreiben, braucht man nur sehr geringe Mengen dieser beiden Grundbrennstoffe. Um es an einem Beispiel zu verdeutlichen: Ein industrieller Fusionsreaktor mit einer Kapazität von einem Gigawatt pro Jahr, würde lediglich 100 kg Deuterium (aus 2 800 Tonnen Meereswasser gewonnen) und 150 kg Tritium verbrauchen (aus 10 Tonnen Lithium hergestellt).

Das grundlegende Problem, für das der ITER eine Lösung finden soll, ist, eine dauerhafte Fusionsreaktion in diesem gasförmigen Haufen auszulösen. Es ist extrem schwierig, das Plasma in stabilem Zustand aufrechtzuerhalten und die absolut notwendige Voraussetzungen ist, dass das Plasma im Inneren des Reaktors gleichförmig und schwebend gehalten wird - das bedeutet, es darf niemals auch nur zu dem geringsten Kontakt mit der Reaktorwand gelangen. In diesem Milieu wirbeln die Wasserstoff-Ionen immer schneller und turbulenter herum, bis sie aufeinander treffen und fusionieren können. Die Erzeugung dieses Zustandes wird Plasma-Confinement genannt.


JET: Spitzenreiter unter den Maschinen

Auch hier wurden nach und nach Entscheidungen getroffen. Der Reaktor vom Typ Tokamak, der in den fünfziger Jahren von den russischen Wissenschaftlern Igor Taman und Andrei Sakharov vorgeschlagen wurde, hat sich als der leistungsfähigste Reaktor herausgestellt. "Tokamak" ist die Transliteration einer russischen Abkürzung und bedeutet wörtlich "toroidale Kammer in Magnetspulen", eine ringförmige Kammer, in der das Plasma durch starke Magnetfelder eingeschlossen wird.

Auf der Welt existieren mehrere Reaktoren vom Typ Tokamak, aber der größte und leistungsfähigste, der jemals gebaut wurde, ist der Joint European Torus, kurz: JET. Mit diesem experimentellen Reaktor, der in den siebziger Jahren konzipiert und seit 1983 in Betrieb ist, konnten die modernsten Heizungs- und Confinementechniken sowie Techniken zur Kontrolle der Plasmastabilität erforscht und auf den neusten Stand gebracht werden. 1991 gelang es, im Innern des JET die erste kontrollierte Fusionsreaktion auf der Erde auszulösen. Die freigesetzte Energie war nicht besonders spektakulär, sie lag unter 2 Megawatt, aber ein wichtiger Schritt war getan. 1997 ermöglichten die geduldigen und wiederholten Versuche der Forscher den bis heute gültigen Rekord bei der Herstellung von Fusionsenergie: 16 Megawatt.

Dieser Erfolg entsprach nur einem kleinen "Funken" von einigen Sekunden und erreichte lediglich den Faktor 0,64 in Bezug zum break-even. Dies ist der Schwellenwert, an dem die produzierte Fusionsenergie die Energie überschreitet, die zur Erhitzung und zum Confinement des Plasmas benötigt wurde. Der zukünftige Tokamak ITER muss diese Schwelle in überzeugender Weise überschreiten.


ITER - Der Weg

Mit 24 Metern Höhe und 30 Metern Breite wurde der ITER konzipiert, um zwischen 500 und 700 MW thermische Kraft in einem ringförmigen Fusionsplasma von 800 m3 zu erreichen, das von starken Magnetfeldern eingeschlossen wird. Er muss fünf bis sechs mal mehr Hitze erzeugen als erforderlich ist, um das Plasma auf Fusionstemperatur zu halten. Auf diese Weise wird er nachweisen, dass eine nachhaltige und zuverlässige Energieproduktion möglich ist, um zur dauerhaften Bewirtschaftung eines Kraftwerks zu gelangen.

Damit hätten Physiker und Ingenieure freie Bahn, um Technologien, Bestandteile und Kontrollstrategien zu entwickeln und zu optimieren, die einem zukünftigen Versuchskraftwerk für Fusionsenergie dienen, welches dann die letzte Etappe auf diesem ein Jahrhundert dauernden Marsch sein wird. Es trägt bereits auch einen Namen - DEMO.


Anmerkungen:

(1) Alle Elemente im Universum, von den leichtesten (wie Kohlenstoff und Sauerstoff) bis zu den schwersten (Gold, Blei oder Uran) sind aus einer Kombination leichter Atome mittels der Phänomene der Kernfusion erst im Herzen, dann an den äußeren Schichten der Sterne entstanden.

(2) Man kann beispielsweise davon ausgehen, dass ein Kilogramm "Fusionsbrennstoff" so viel Energie generieren kann wie 10 000 Tonnen Kohle in einem klassischen Elektrizitätswerk.


Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

> Wenn Wasserstoff in den Plasmazustand übergeht, stellt sich dieser als ein gasförmiger Haufen von Wasserstoff-Ionen dar, d.h. von positiv geladenen Kernen. Im Rahmen des britischen Fusionsprogramm Mast Experiments, Nachfolger des START-Programms, werden Forschungen über die Möglichkeit spärischer Anordnungen des Fusionsplasmas durchgeführt.

> Betriebstestplattform des "Divertors" des ITER. Der Betrieb dieses wichtigen Reaktorbestandteils, mit dem Brennstoff geladen und Fusionsverunreinigungen entfernt werden können (in Form von nicht radioaktivem Helium) muss vollständig ferngesteuert erfolgen.

> Plasma-Confinement wird durch ein starkes elektromagnetisches Feld erzielt.


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Quelle:
FTE info - Sonderausgabe EIROforum, Februar 2007, Seite 14-15
Magazin über europäische Forschung
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veröffentlicht im Schattenblick zum 17. August 2007