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INTERVIEW/004: Kernfusion und Plasmaforschung - alte Gefahren im neuen Gewand ...    Prof. Dr. Robert Wolf im Gespräch (SB)


Pressereise zur Startvorbereitung für den Wendelstein 7-X & Plasmaphysik im All und auf der Haut

Interview mit Prof. Dr. Robert Wolf, Leiter des Bereichs Stellarator-Heizung und -Optimierung des Fusionsreaktors Wendelstein 7-X, am 17. August 2015 in Greifswald

Robert Wolf über die anspruchsvolle Handhabung des radioaktiven Tritiums, die aus seiner Sicht geringe Gefahr einer militärischen Nutzung von Fusionsreaktoren sowie weitergehende Forschungsfragen beim Betrieb des Wendelstein 7-X


Die Fusionsenergie böte gegenüber der Kernspaltung erhebliche Vorteile, da die Brennstoffmenge viel geringer und die Fusionsreaktion inhärent sicher sei, so daß eine Kernschmelze aus physikalischen Gründen ausgeschlossen werden könne; außerdem gebe es keine radioaktiven Endprodukte wie bei der Kernenergie und auch keine militärischen Aspekte, erklärte Prof. Dr. Robert Wolf vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in seinem Vortrag anläßlich einer Pressereise am 17., 18. August 2015 nach Greifswald. [1]


Prof. Wolf gibt Erläuterungen in der Reaktorhalle - Foto: © 2015 by Schattenblick

Prof. Dr. Robert Wolf
Foto: © 2015 by Schattenblick

Prof. Wolf ist beim Testreaktor Wendelstein 7-X für den Bereich Stellarator-Heizung und -Optimierung zuständig. Ein Stellarator zeichnet sich vor allem dadurch aus, daß das über 100 Millionen Grad heiße Plasma, aus dem die Fusionsenergie gewonnen werden soll, von einem Magnetfeld von außen zusammengehalten wird. Bei dem zweiten Konzept, dem Tokamak, wird das Plasma ebenfalls von einem Magnetfeld zusammengehalten, ist jedoch zusätzlich noch stromdurchflossen, so daß sich auch im Plasma selbst Magnetfelder aufbauen.

So faszinierend die technischen Finessen auch sein mögen, die einen Tokamak wie ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), der zur Zeit im südfranzösischen Kernforschungszentrum Cadarache aufgebaut wird, von einem Stellarator wie Wendelstein 7-X unterscheiden, Fusionsreaktoren bleiben Bestandteil der vorherrschenden technologischen Entwicklung, durch die ein zentralistisches, große Kraftwerksstrukturen erfordendes und auf Wachstum und Energieverbrauch orientiertes Wirtschaftsmodell gestärkt wird. Wenngleich beim Betrieb von Fusionskraftwerken selbst keine nennenswerten Mengen an Treibhausgasemissionen zu erwarten sind, kann man das von der sehr umfangreichen Zulieferindustrie für Bau und Betrieb des Fusionsreaktors nicht behaupten. Zukünftige Gesellschaften werden somit entscheiden, ob sie den hier eingeschlagenen Weg weiterverfolgen oder beispielsweise nicht die Energieproduktion wieder in die Hände derjenigen, die sie verbrauchen, zurückgeben wollen.

Im Rahmen des Besuchs von Wendelstein 7-X stellte sich Prof. Wolf dem Schattenblick für einige Fragen zur Verfügung. Der Physiker hat am Europäischen Gemeinschaftsexperiment JET (Joint European Torus) in Culham, Großbritannien, promoviert. Zu den Stationen seiner weiteren Forschungsarbeit zählen die Max-Planck-Institute für Plasmaphysik in Berlin und Garching, das Forschungszentrum Jülich. Nach seiner Habilitierung an der belgischen Universität Mons-Hainaut wurde er zunächst an die Ruhr-Universität Bochum, 2011 an die Technische Universität Berlin berufen, seit August 2006 ist er Wissenschaftliches Mitglied im IPP in Greifswald.

Schattenblick (SB): Noch in diesem Jahr soll Wendelstein 7-X als gesamtes System anlaufen. Gibt es Einzelkomponenten, die ihre Tauglichkeit bisher nicht unter Beweis gestellt haben und zu dem Zeitpunkt erstmals überprüft werden?

Prof. Robert Wolf (RW): Natürlich alles das, was die Inbetriebnahme mit Plasma beinhaltet. Die Plasma-Heizung haben wir zwar schon getestet - die kann man sehr gut ohne Plasma testen -, aber es ist jetzt ganz wichtig, daß wir die ersten Meßapparaturen in Betrieb nehmen. Die kann man auch ohne Plasma laufen lassen, nur mißt man dann natürlich noch nichts. Das heißt, eine wirkliche Aussage, wie die verschiedenen Diagnostiken funktionieren, bekommt man erst dann, wenn man Plasma erzeugt. Das steht jetzt bevor.

SB: Im Fusionsreaktor Wendelstein 7-X wird eine Temperatur von über 100 Millionen Grad erzeugt. In der Sonne sollen "nur" 15 Millionen Grad herrschen. Gehen Sie mit der Temperatur so viel höher, weil in der Sonne zusätzlich noch ein enormer Druck durch die Masse besteht, die das Plasma zusammenhält?

RW: Das ist richtig, in der Sonne ist der Druck wesentlich höher. Wir wählen aber auch wegen der verschiedenen Fusionsreaktionen eine höhere Temperatur. In der Sonne haben wir Wasserstoff, das hat einen sehr viel schlechteren Wirkungsgrad bei der Fusion als die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium, die in einem Fusionsreaktor verwendet werden. Zugleich liegt der optimale Temperaturpunkt, bei dem der maximale Wirkungsgrad der Wasserstoffusion erreicht wird, bei niedrigeren Temperaturen als bei der Deuterium-Tritium-Fusion. Wir reden da von mehr als 20 Größenordnungen Unterschied in der Reaktionsrate.

SB: Tritium vermag durch feste Wände zu diffundieren und ist anscheinend nicht leicht zu handhaben. Jedenfalls hat der Betreiber des havarierten Akw Fukushima Daiichi in Japan eine Dekontaminationsanlage gebaut, die Dutzende verschiedene Radionuklide aus dem Wasser herauslösen soll, nur Tritium nicht. Es ist das einzige Radionuklid, das sie mit der Anlage nicht herausfiltern können. Wie will die Fusionsforschung das Tritium-Problem handhaben?

RW: In verschiedenen Forschungsbereichen wurden schon Erfahrungen mit dem Tritium-Handling gesammelt, auch in der Fusionsforschung. Beispielsweise verfügt das Karlsruher Institut für Technologie über das weltgrößte Tritium-Labor, das auch für friedliche Zwecke genutzt wird. Dort wird auch Grundlagenforschung betrieben. Außerdem wurde beim Fusionsreaktor Jet [2] Tritium eingesetzt. Dort wurde das Tritium, das zugeführt wurde, auch aus dem geschlossenen System wieder rausgeholt und man hat Ein- und Ausgang genau bilanziert.

Sie haben recht, man muß diesen Aspekt berücksichtigen, wenn man einen sicheren Umgang mit Tritium haben will. Dann muß man entsprechende Sicherheitsvorkehrungen treffen. So werden Leitungen mit Tritium gegebenenfalls doppelwandig ausgelegt, wobei außen herum ein Schutzgas eingesetzt wird oder ähnliches. Diese Dinge sind aber bekannt, das ist nichts Ungewöhnliches.

SB: Sie sprachen heute in Ihrem Vortrag von dem Vorteil der Fusionskraftwerke gegenüber Atomkraftwerken, daß sie keine militärischen Aspekte haben. In der Vorrecherche sind wir auf eine Studie der Hessischen Stiftung für Friedens- und Konfliktforschung gestoßen, in der behauptet wird, daß das Tritium-Inventar eines einzigen Fusionsreaktors die Tritium-Vorräte der Atommächte um mindestens eine Größenordnung übersteigen würde. [3]

RW: Die Aussage ist nicht ganz richtig. Es ist relativ schwierig zu sagen, wieviel Tritium die Großmächte, insbesondere die USA, besitzen. Was militärisch vorhanden ist, wird Ihnen keiner erzählen. Man muß das anders betrachten: Das Tritium-Inventar eines Fusionskraftwerks wird im Kilogrammbereich liegen. Das ist aber kein frei verfügbares Tritium, sondern das, was instantan erzeugt wird, um es gleich wieder zu verbrennen. Wenn man nur deshalb ein Fusionskraftwerk bauen würde, um diese Menge Tritium zu erzeugen, müßte man schon in etwa mit dieser Menge Tritium anfangen, um den Reaktor überhaupt in Gang zu setzen. Das wäre eigentlich ein unsinniges Unterfangen.

Man muß natürlich klar sagen, daß es zu überwachen gilt, was mit dem Tritium passiert. Aber es ist sehr aufwendig, wenn nicht unmöglich, in einem Fusionskraftwerk ohne weiteres einen Tritiumüberschuß zu erzeugen. Es gibt zu den verschiedenen Proliferationsaspekten der Fusion ganz interessante Studien auch aus Amerika, die zu dem ganz klaren Ergebnis gelangen, daß die Methoden zur Erzeugung waffenfähigen Materials, die heute existieren, eigentlich viel günstiger und viel einfacher sind, als man es mit einem Fusionsreaktor je erreichen könnte. Es würde kein Mensch auf die Idee kommen, aus diesen Gründen ein Fusionskraftwerk zu bauen, weil die Methoden, die man braucht, schon existieren. Insofern ist das sehr hypothetisch.

SB: Bei einem Fusionskraftwerk würden die Wände des Reaktorraums durch die Neutronen aus der Kernfusion aktiviert und müßten als Strahlenmüll entsorgt werden. Liegen schon Abschätzungen vor, mit welchen Fristen da zu rechnen wäre?

RW: Es gibt Abschätzungen zu der Menge und es gibt auch Abschätzungen zu der Aktivität. Den Forschungsergebnissen zufolge muß man den weitaus größten Teil der Materialien eine gewisse Zeit zwischenlagern und kann ihn dann recyceln. Es gibt sogar Konzepte, die davon ausgehen, daß letztendlich alle Materialien in irgendeiner Form wiederverwendet werden können, auch das Material, das eine gewisse Restradioaktivität aufweist. Das würde dann einfach in der Anlage wiederverwendet, so daß tatsächlich in Zeiträumen von zehn bis hundert Jahren nichts übrigbleibt, was langfristig entsorgt werden müßte.


Von zahlreichen Gerüsten, Aufbauten, Rohren und Kabeln eingefaßtes Reaktorgefäß - Foto: © 2015 by Schattenblick

Forschungsreaktor Wendelstein 7-X
Foto: © 2015 by Schattenblick

SB: Sie erwähnten bei der Begehung der Reaktorhalle, daß die Kohlenstoffkacheln von Wendelstein 7-X mit Wolframkacheln ausgetauscht werden. Warum macht man das nicht gleich mit Wolfram und was ist sein Vorteil?

RW: Um zunächst einmal mit dem Kohlenstoff anzufangen. Mit ihm hat man wesentlich mehr Erfahrung, was die Erzeugung von Hochtemperatur-Plasmen betrifft. Es besteht allerdings das grundsätzliche Problem der Plasma-Wand-Wechselwirkung, weil wir die Plasmen relativ nahe an die Wand heranbringen und dann in Kontakt mit ihr bringen müssen. Dort rekombiniert das Plasma und wird wieder ein neutrales Gas, das man, wie auch die Verunreinigungen, abpumpen kann. Zudem gelangen immer kleine Mengen Wandmaterial in das Plasma.

Jetzt muß man zwischen zwei grundsätzlich verschiedenen Materialgruppen und ihrer Schädlichkeit für das Plasma unterscheiden. Wenn man von relativ leichten Materialien ausgeht, die wie Kohlenstoff eine niedrige Ladungszahl haben, kann man relativ hohe Verunreinigungskonzentrationen dulden, also von einigen Prozent, bevor der Brennstoff zu sehr verdünnt wird. Im Kraftwerk heißt das dann, daß die Zahl der Fusionsreaktionen zu sehr absinken würde. Materialien wie Kohlenstoff tragen jedoch praktisch nicht zum Energieverlust des Plasma durch Abstrahlung bei.

Wenn man ein relativ schweres Material mit hoher Ladungszahl wie Wolfram hat, dann darf man davon nur Mengen im Bereich von bis zu zehn ppm [4] im Plasma dulden. Das hängt mit ihrer Elektronenstruktur zusammen. Wir sagen dazu, daß das Material noch nicht vollständig ionisiert ist und darum sehr effektiv zur Abstrahlung der Energie beiträgt. Das will man bei einem Fusionsreaktor vermeiden. Das spräche zunächst einmal für den Kohlenstoff, zumal sich dieser ideal für einen Kontakt mit hohen Temperaturen eignet, da er nicht schmelzen kann, sondern erst bei einigen tausend Grad sublimiert.

Das Problem mit Kohlenstoff ist jedoch, daß er sich sehr effektiv mit den Wasserstoffionen des Plasmas zu Kohlenwasserstoffen verbindet. Das ist also eine sehr effiziente Methode, diesen Kohlenstoff zu erodieren. Außerdem entstehen Verbindungen des Kohlenstoffs mit Tritium, was zu einer Anreicherung von Tritium in dem Plasmagefäß führt, die nicht erwünscht ist.

Nimmt man nun das andere Extrem, Wolfram, so muß man zwar darauf achten, die Verunreinigungsmengen sehr klein zu halten, aber das Wolfram kommt einem dabei entgegen, denn es erodiert so gut wie gar nicht, solange die Energie der Plasmateilchen unter einer bestimmten Schwelle liegt - das ist übrigens einer der Gründe, warum Halogenlampen Wolframwendeln besitzen. Somit müssen wir in einem Kraftwerk dafür sorgen, daß die Plasma-Randschicht hinreichend kalt ist, damit das Wolfram nicht abgetragen wird.

Im Unterschied zum Tokamak gab es in einem Stellarator noch nie Experimente mit Wolfram. Man weiß auch nicht, wie der Transport von Wolfram in dem Plasma abläuft und wie man es schafft, daß auch die geringen Mengen nicht akkumulieren. Insofern fangen wir erst einmal mit Kohlenstoff an, und dann tauschen wir sukzessive die Wand mit Wolfram aus, um zu studieren, wie sich das Plasmaverhalten ändert.

Das ist ein gutes Beispiel für eine mögliche Komponente des Forschungsprogramms in der Zukunft. In dem Sinne ist Wendelstein 7-X nicht fertig, wenn man ihn einmal anschaltet, sondern man hat ein Forschungsprogramm über mehrere Jahre.

SB: Hat die Fusionsenergie einen Platz im langfristigen Energiekonzept der Bundesregierung, die bis zum Jahr 2050 80 Prozent der Treibhausgasemissionen senken will? Liegen dazu schon Aussagen der Bundesregierung vor?

RW: Bis 2050 wird man keine große Anzahl an Fusionskraftwerken haben, insofern können diese nicht im Energiekonzept vorkommen. Interessanter an der Stelle ist, daß Fusionsenergie als langfristige Option angesehen wird. Die geht über das Jahr 2050 hinaus. Es wird eine klare Aussage zu der Perspektive der Fusion als möglicher Beitrag für eine zukünftige Energieversorgung gemacht.

SB: Herr Wolf, vielen Dank für das Gespräch.


Foto: © 2015 by Schattenblick

Als die Symmetrievorstellung noch die Magnetfelder bestimmte - Vorläufermodell des Stellarators Wendelstein 7-X im Eingangsbereich des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Greifswald
Foto: © 2015 by Schattenblick


Fußnoten:

[1] Zum Forschungsreaktor Wendelstein 7-X und der Pressereise nach Greifswald sind bisher, mit dem kategorischen Titel "Kernfusion und Plasmaforschung" versehen, im Pool
NATURWISSENSCHAFTEN → REPORT erschienen:

BERICHT/001: Kernfusion und Plasmaforschung - Im Spannungsfeld der Vielversprechen ... (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrbe0001.html

BERICHT/002: Kernfusion und Plasmaforschung - Fortschritts- und Entwicklungsfragen ... (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrbe0002.html

INTERVIEW/001: Kernfusion und Plasmaforschung - hoffen, forschen, wünschen ... Prof. Dr. Thomas Klinger im Gespräch (1) (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrin0001.html

INTERVIEW/002: Kernfusion und Plasmaforschung - hoffen, forschen, wünschen ... Prof. Dr. Thomas Klinger im Gespräch (2) (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrin0002.html

INTERVIEW/003: Kernfusion und Plasmaforschung - Heiße Luft und ihre Ströme ... Prof. Dr. Klaus-Dieter Weltmann im Gespräch (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrin0003.html

[2] JET (Joint European Torus) ist eine Fusionsanlage vom Typ Tokamak, die 1983 in Betrieb ging. 1991 wurde mit diesem europäischen Gemeinschaftsprojekt erstmals in einem nicht-militärischen Kontext Energie durch Kernfusion freigesetzt. Nach Angaben des IPP ist JET die einzige Fusionsanlage weltweit, die mit dem Fusionsbrennstoff Deuterium und Tritium experimentieren kann.

[3] Giorgio Franceschini und Matthias Englert schreiben im Report Nr. 7/2013 unter dem Titel "Safeguarding Fusion-Reactors. Plädoyer für eine proliferationsresistente Gestaltung der Kernfusion" für die Hessische Stiftung Friedens- und Konfliktforschung (HSFK), die der Leibniz-Gemeinschaft angeschlossen ist:

"Ein im Fahrwasser von ITER entwickelter Fusionsreaktor eröffnet einem Kernwaffenland eine zweifache militärische Nutzungsoption. Erstens lassen sich aus dem Fusionsreaktor militärisch relevante Tritiummengen abschöpfen, mit denen existierende Kernwaffen empfindlich verbessert werden können. Das Tritiuminventar eines einzelnen Fusionsreaktors wird dabei die existierenden Tritiumvorräte der Atommächte typischerweise um mindestens eine Größenordnung übersteigen und könnte somit ein ideales Reservoir für dieses ansonsten knappe, flüchtige und instabile Wasserstoffisotop darstellen. Zweitens eröffnen ITER-Nachfolgereaktoren im Prinzip auch die Möglichkeit, im laufenden Betrieb waffenfähiges Spaltmaterial zu produzieren. Dazu müssen zwar gewisse Umrüstungen am Reaktor vorgenommen werden, aber Simulationen haben gezeigt, dass die daraus resultierenden Spaltmaterialproduktionen für militärische Zwecke sowohl quantitativ als auch qualitativ bedeutsam sind."
http://www.hsfk.de/fileadmin/downloads/report0713.pdf

[4] ppm = part per million, z. Dt.: Teile pro eine Million

28. August 2015


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