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Die Kernfusion
Spezialgebiet
von
Sebastian Stoxreiter
Abb. 1: Zeigt das Plasma in der Magnetfalle eines Kernfusionreaktors.
„Für uns gläubige Physiker ist die Scheidung zwischen
Vergangenheit und Zukunft eine, wenn auch
hartnäckige Illusion.“
Albert Einstein
Vorwort
Wir leben in einer Zeit, in der, der Grossteil des Weltenergiebedarfs durch fossile
Energieträger, wie Erdöl, Erdgas und Kohle gedeckt wird. Die Zeit, da diese Vorkommen
erschöpft sein werden, rückt jedoch mit Riesenschritten näher. Experten rechnen damit, dass
innerhalb der nächsten 50 Jahre diese Ressourcen aufgebraucht sein werden. Hinzu kommt
noch, dass die Anzahl der Menschen auf der Erde, als auch der Energiebedarf je Mensch
stetig wächst. Und das in einer Art und Weise die eigentlich zum Nachdenken anregen sollte.
Ein Beispiel:
Vor 40 Jahren lebten 2,5 Milliarden Menschen auf der Erde und man vermutete, dass die
Population unseres Planeten bis in des Jahr 2000 auf 4,5 Milliarden Menschen steigen und der
Energiebedarf sich verachtfacht haben würde. Heute können wir feststellen, dass die
Weltbevölkerung schon die 6 Milliardenhürde hinter sich gebracht hat und sich der
Energiebedarf mehr als verzwanzigtfacht hat.
Bis vor Kurzem sah man den Ausweg, in der Energiegewinnung durch die Kernspaltung, also
in Atomkraftwerken. Heutzutage versuchen jedoch schon die meisten Industrieländer
Alternativen zur Atomenergie zu finden und zu fördern. Das auch mit gutem Grund, denn laut
den Berechnungen des amerikanischen Physikers R. F. Post entstehen in einem
Atomkraftwerk mit einer Leistung von 1000-MW, in jeder Woche langlebige Spaltprodukte
mit einer Gesamtaktivität, die vergleichbar ist mit der Asche von 20 Atombomben des Typs
‚Hiroshima’. Würde man den gesamten heutigen Energiebedarf der USA durch
Atomkraftwerke stillen, dann würde wöchentlich mehr Radioaktivität entstehen, wie 5000
Atombomben erzeugen. Wenn diese Zahlen jetzt aktuell sind, wie werden sie dann in 100
Jahren aussehen? Bei dem Aufwand, der heute bei der Beseitigung von nur einigen
Kilogramm radioaktiver Spaltprodukte erforderlich ist, kann man sich kaum vorstellen, wie
unsere späteren Nachfahren mit diesen Mengen fertig werden wollen, ohne dass die
Strahlenbelastung der Menschheit bedrohliche Formen annimmt.
Eine große Hoffnung ruht auf der alternativen Energiegewinnung. Diese Art Strom zu
erzeugen ist aber leider noch lange nicht ausgereift genug um ganze Staaten damit versorgen
zu können und wird begleitet von Landschaftsverunstaltung, oder sie ist eine Belastung für
die Natur selber, und unbeständig da sie ja wetterabhängig ist. Im Grossen und Ganzen sind
Sonnen-, Wasser- und Windenergie der ‚sauberste’ Weg Strom zu erzeugen, auch wenn vieles
noch erprobt, geforscht, entwickelt und verbessert werden muss. Auch unbekanntere Projekte
wie Biomasseverbrennung und die Brennstoffzelle machen immer mehr Leute auf sich
aufmerksam. Möglichkeiten gäbe es genug. Nur welche ist die Beste? Und vor allem, welche
ist die, wirtschaftlich gesehen, effizienteste?
In der heutigen Zeit, in der die Strommärkte liberalisiert werden, das
Verantwortungsbewusstsein der Menschen gegenüber der Natur wächst und Technik und
Wirtschaft die Entwicklung in einer noch nie da gewesenen Geschwindigkeit vorantreiben, ist
ungewiss wie die Menschheit ihr Energieproblem lösen wird. Doch seit Mitte des 20.
Jahrhunderts gibt es einen Traum in den Gehirnen der meisten Wissenschaftler und Physiker:
Die Kernfusion zur Energiegewinnung zu verwenden.
Tatsächlich wären all unsere Energiesorgen gelöst, wenn Fusionskraftwerke heute schon
Realität wären, denn das Energiepotential übertrifft alle bisherig bekannten Methoden zur
Energiegewinnung. Die Strahlenbelastung bei der Kernfusion ist verschwindend gering im
Vergleich zur Atomspaltung und der Brennstoff, der für Kernfusions-Reaktoren in Frage
kommt, ist im reichlichen Maße vorhanden. Denn diesen Brennstoff findet man überall wo es
Wasser gibt. Es handelt sich hierbei um Deuteriumoxyd – besser bekannt unter der
Bezeichnung schweres Wasser – dessen natürlicher Wasseranteil 0,02 Prozent beträgt. Auch
die Gewinnung ist verhältnismäßig billig. In einem solchen Kraftwerk könnten in der Zukunft
aus einem Gramm Brennstoff ca. 90 000 kwh erzeugt werden. Dies entspricht ungefähr der
Verbrennungswärme von 11 t Kohle. Der Energiegehalt des Deuteriums ist wiederum noch
etwa zehnmal größer als der des spaltbaren Urans. In einem Liter Wasser steckt auf Grund
seines Deuterium-Gehalts genauso viel Energie wie in 300 Liter Benzin. Ein KubikKilometer Meerwasser würde genügen, um den gegenwärtigen Energiebedarf Europas
tausend Jahre lang zu decken. Selbst wenn der Energiebedarf der Menschheit um das
Tausendfache ansteigen sollte, könnte der im Deuterium- Gehalt der Weltmeere
schlummernde Energievorrat nicht in 100 000 000 Jahren aufgebraucht werden. Darum kann
man die kontrollierte Kernschmelzung als Endlösung aller Energieversorgungsprobleme
bezeichnen. Wenn sie gelingt, ist sie fortan und bis zum Ende eines zivilisierten menschlichen
Daseins auf der Erde die Energiequelle schlechthin.
Abb. 2: Zeigt die vom
Menschen 4 häufigsten
verwendeten Energieträger im
direkten Vergleich in Bezug
auf Menge und daraus
gewonnene Energie. Wobei
die Energieleistung bei allen 4
gleich ausfällt.
1.Die physikalische Grundlagen
1.1. Der Masseneffekt
Die Basis jeglicher Form von Atomenergie liegt in der weltberühmten Formel Albert
Einsteins E = m . c² . Die Größe c bedeutet darin die bekannte Lichtgeschwindigkeit;
dementsprechend ist c² nichts anderes als ein konstanter Faktor, durch den das
Umwandlungsverhältnis der Masse m in die Energie E bestimmt ist. Diese Gleichung drückt
also in Symbolen aus, dass Atomenergie nichts Anderes ist, als umgewandelte Masse.
Dieses Wissen führt viele Menschen zu der irrigen Annahme, dass der gesamte Atomkern in
Energie umgewandelt wird. Doch tatsächlich wird nur ein sehr kleiner Teil wirklich in Form
von Energie freigesetzt. Geht man jetzt zum Beispiel von einem Sauerstoffatom mit 8
Protonen und 8 Neutronen aus, insgesamt also 16 Nukleonen, so sollte man meinen, dass man
das Gewicht dieses Sauerstoffatoms nur durch 16 zu teilen braucht, um das
Durchschnittsgewicht der Nukleonen zu erhalten. In Wirklichkeit ist die aus dem Gewicht
berechnete Zahl aber zu klein. Addiert man umgekehrt die einzelnen gemessenen Gewichte
von 8 Neutronen und 8 Protonen, so erhält man ein Sauerstoffgewicht, das um etwa 0,85
Prozent über dem wahren Wert liegt. Beim ,Zusammenbau´ geht also Gewicht verloren.
Allein dieser kleine Teil wird genügen, um später im Herz eines Fusionskraftwerks, mehrere
Hundertmillionen Grad zu erzeugen. Im Allgemeinen bezeichnet man dieses physikalische
Phänomen als Massendefekt.
1.2. Massenüberschuss und Bindungsenergie
Man kann Atomenergie nur dadurch gewinnen, dass man Atomkerne in eine Form überführt,
bei der die Nukleonen leichter als vorher sind, bei der der Massenverlust je Nukleon ansteigt.
Man kann nun daran gehen, für die verschiedenen chemischen Elemente, wie Wasserstoff,
Helium, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Aluminium, Chlor, Eisen, Kupfer, Silber;
Gold, Blei und schließlich Uran, das Gewicht je Nukleon zu berechnen. Dabei wird man
immer verschiedene Werte erhalten. Doch wenn man diese in der angegebenen Reihenfolge
von den leichtesten bis hinzu den schwersten Elementen fortlaufend in einem Diagramm
darstellt, erhält man eine charakteristische Kurve. Sie hat etwa die Form eines Sattels, sie fällt
zunächst, beginnend beim Wasserstoff, steil ab, beginnt beim Eisen langsam in die
Waagrechte überzugehen, um bei den Kernen mit dem Atomgewicht 50 den tiefsten Wert zu
erreichen. Danach steigt die Kurve langsam, aber stetig bis zum Uran hin wieder an. Einzelne
Werte weichen zwar etwas von diesem Kurvenverlauf ab, aber im Grossen und Ganzen
ordnen sich alle gut ein. Da eine Gewinnung von Atomenergie nur dann möglich ist, wenn bei
den dazu notwendigen Kernumwandlungen Atomkerne entstehen, deren Gewicht je Nukleon
geringer als vorher ist, müssen alle Kernumwandlungen zur Mitte der Kurve hin, in Richtung
der mittelschweren Elementen erfolgen; entweder werden sehr leichte Kerne zu schweren
zusammen geschmolzen oder sehr große zu kleineren aufgespalten. Durch zwei grundsätzlich
verschiedene Kernprozesse – Spaltung und Verschmelzung – kann man also Energie
gewinnen, sofern man am richtigen Ende ansetzt.
1.3. Physikalische Größen und Einheiten
Aus Gründen der Anschaulichkeit operiert man bei Darstellungen und Berechnungen dieser
Art jedoch meist nicht mit dem absoluten Atomgewicht, sondern mit dem Massenüberschuss
je Nukleon. Dabei sind alle Werte auf den Sauerstoff bezogen, dessen Gewicht gleich 16
gesetzt ist. Das Gewicht eines Wasserstoffkerns ist dann ein kleinwenig größer als 1. Den
Massenüberschuss je Nukleon, beziehungsweise den Massendefekt, misst man in tausendstel
Teilen dieser Masseneinheit und bezeichnet diese Größe als TME.
Das in der Atomphysik übliche Energiemaß ist das Elektronenvolt, kurz eV. Das ist diejenige
Energiemenge, die ein Elektron gewinnt, wenn es ein Spannungsfeld von einem Volt
durchfliegt. Da das einfache Elektronenvolt für die Zwecke der Atomphysik eine viel zu
kleine Einheit ist, rechnet man meistens mit MeV, also Mega Elektronenvolt.
Natürlich kann man auf Grund Einsteins Formel E = m . c² den Massendefekt,
beziehungsweise Massenüberschuss, direkt in Energiegewinn umrechnen. Dabei gilt:
1 TME = 0,931 MeV
Dem Massenüberschuss je Nukleon entspricht dann die Bindungsenergie je Nukleon, kurz
BEPP genannt. Sie ist jedoch reziprok zum Massenüberschuss definiert, sie nimmt also zu, je
kleiner dieser wird. Abbildung 3 zeigt ein Massenüberschuss – beziehungsweise BEPP –
Diagramm für die leichten Atomkerne. Diese ist praktisch nichts anderes als der linke Teil der
zuvor in 2.2. geschilderten Kurve.
Abb. 3: Massenüberschuss- und
Bindungsenergie-Diagramm für die
wichtigsten leichten Atomkerne.
Nachrechts ist die Massenzahl (Zahl
der Neutronen und Protonen zusammen)
aufgetragen, nach oben der
Masseüberschuss pro Nukleon. Die
Bindungsenergie pro Nukleon
(BEPP) ist der reziproke Wert des
Massenüberschusses. Wenn sich
Kerne, die eine geringe BEPP haben, in
Kerne mit großer BEPP
umwandeln, wird je Masseneinheit Energie
frei, die der Höhendifferenz im Diagramm
entspricht. Die Buchstaben sind die
Symbole der chemischen Elemente.
Schaut man sich dieses Diagramm näher an, so wird man feststellen, dass das Helium-Atom
völlig aus der Reihe tanzt. Bei gleichmäßigem Verlauf der Kurve sollte der Massenüberschuss
für jedes im Heliumatomkern gebundene Nukleon bei etwa 4,5 TME liegen. In Wirklichkeit
beträgt es aber nur etwa 1 TME . Das bedeutet, dass alle Kernverschmelzungsreaktionen, die
zur Bildung von Heliumatomkernen führen besonders viel Energie liefern und darum in erster
Linie für die technische Gewinnung von Kernverschmelzungsenergie in Frage kommen.
1.4. Kernverschmelzung hängt nicht nur von den Massen und Ladungen ab
In folgender Tabelle sind alle Kernreaktionen, die unter den leichtesten Atomkernen häufiger
stattfinden angeführt. Unter diesen Reaktionen findet man jetzt welche die mehr und welche
die weniger Energie bringen. Nun ist die Annahme aber falsch, dass all diese Reaktionen die
gleiche Wahrscheinlichkeit haben zustande zu kommen. Zum Beispiel können zwei Protonen
direkt miteinander reagieren. Dadurch entsteht ein Deuteron und ein überschüssiges Elektron
wird abgestrahlt. Doch die durchschnittliche Wahrscheinlichkeit für ein Zustande kommen
einer solchen Reaktion beträgt selbst bei mehreren Millionen Grad mehrere Milliarden Jahre.
Daraus wird ersichtlich, dass für das Zustandekommen einer Kernverschmelzung es nicht
genügt, dass die Bilanz der Massen und Ladungen übereinstimmt, sondern weitaus
komplizierter ist.
Unter diesen Reaktionen findet man jetzt welche die mehr und welche die weniger Energie
bringen. Am lukrativsten erscheint hierbei die Reaktion Nr. 7, in der man aus einem
Lithiumatomkern und einem Deuteron zwei Heliumatomkerne entstehen und 23,7 TME
Energie freigesetzt werden. Interessant erscheint dann auch die Kombination der in der
Formel Nr.4 und 6 wiedergegebenen Reaktion: Man lässt zunächst ein Triton und ein
Deuteron miteinander reagieren(siehe Abb. 4). Es entsteht ein Heliumkern und ein schnelles
Neutron, das man dazu verwenden kann, neues Tritium zu erzeugen, indem man es mit
Lithium reagieren lässt. Dabei entsteht abermals Helium. Diese Kombination kommt also zu
dem selben Energie Gewinn wie die Reaktion Nr.7. In den heutigen Versuchsreaktoren wird
hauptsächlich mit der zweiten Variante experimentiert, warum das so ist, ist mir selbst jedoch
nicht ganz klar.
Auf jeden Fall ist es eine glückliche Fügung, dass die Heliumatomkerne so außergewöhnlich
stabil sind und dadurch Kernverschmelzungen ermöglichen, die große Energiebeträge liefern.
Kernreaktionen leichter Elemente
Nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
Formel der Reaktion
D+D
He3 + n
D+D
T+p
T+T
He4 + 2n
T+D
He4 + n
He4 + p
He3 + D
6
He4 +T
Li + n
Li6 + D
He4 + He4
6
Li + p
He4 + He4
Energiegewinn
+ 3,5 TME
+ 4,3 TME
+ 12,2 TME
+ 18,8 TME
+ 19,7 TME
+ 4,9 TME
+ 23,7 TME
+ 18,5 TME
Erklärung:
D = Deuterium siehe Abb.5 ( schwerer Wasserstoff, Isotop des Wasserstoffs mit einem
zusätzlichen
Neutron im Kern)
T = Tritium siehe Abb.6 ( überschwerer Wasserstoff, Isotop des Wasserstoffs mit zwei
zusätzlichen Neutronen)
He = Helium ( Hochzahlen geben das Atomgewicht an)
Li = Lithium (Hochzahlen geben das Atomgewicht an)
n = Neutron
p = Proton ( Kern des Wasserstoffs)
Die angegebene Energieeinheiten sind tausendstel Masseneinheiten (TME), bezogen auf
O16 = 16 ( 1 TME = 0,931 MeV).
Abb.4:
Abb.5:
Abb.6:
1.5. Was geschieht bei der Kernfusion?
Aus der Elektrizitätslehre ist bekannt, dass Körper mit gleicher elektrischer Ladung, sich von
einander Abstoßen. Das gilt auch für Protonen. Andererseits weiß man, dass im Atomkern
unter Umständen bis zu hundert Protonen sehr eng beieinander liegen, in einem Raum von
einem billionstel Millimeter Durchmesser. Da die elektrischen Abstoßungskräfte mit dem
Quadrat der Abstandsverringerung zunehmen, müssen sie in dieser Enge sehr groß sein.
Folglich muss es eine zweite wesentlich stärkere Kraft geben, die die Atomkerne zusammen
hält. Diese so genannte Kernkraft besitzt eine in der Natur einzigartige Eigenschaft: Sie
verändert sich mit der dritten Potenz der Entfernung. Sie wirkt darum praktisch nur auf kurze
Entfernungen innerhalb des Atomkerns, dort aber umso kräftiger. Auf der anderen Seite ist sie
nicht dazu im Stande auf die Anziehungskräfte, zwischen Atomkern und den um ihn
kreisenden Elektronen, Einfluss zunehmen.
Was muss also passieren, damit zwei Deuteronen miteinander verschmelzen? Zunächst
müssen die elektrostatischen Abwehrkräfte überwunden werden. Erst wenn es gelingt, die
beiden Atomkerne sehr nahe zusammenzubringen, schlägt die gegenseitige Abstoßung
plötzlich in Anziehung um. Ein klein wenig Masse verwandelt sich in Energie und bewirkt,
dass der neue Kern und die übriggebliebenen Nukleonen mit einer Relativgeschwindigkeit
von 30 000 km/h, einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit, auseinander fliegen. In diesem
Moment werden mehr Kräfte frei, als ursprünglich bei der Überwindung der Abstoßung
aufgewendet werden mussten. Bei diesem Phänomen versucht jetzt die Wissenschaft
anzusetzen und es, in diesem Fall friedlich, zu nutzen. Jetzt Stellt man sich natürlich die
Fragen:
1. Wie gibt man den Kernen die nötige Geschwindigkeit, also die nötige kinetische
Energie, damit sie ihre gegenseitigen Abstoßungskräfte überwinden und miteinander
verschmelzen können?
2. Wie soll man die dabei entstehende Energie nutzen?
2.Kernfusion im Reaktor
2.1. Zündbedingungen
Für die Kernfusion benötigt man sehr hohe Temperaturen, deshalb gehen die Ausgangsstoffe
in den sogenannten Plasmazustand über. Beim Plasmazustand handelt es sich um einen
vierten Aggregatzustand, nämlich um ein ionisiertes Gas, d.h. ein Plasma besteht aus freien
positiven Atomkernen und freien negativen Elektronen. Alltagsbeispiele für so ein Plasma
sind z.B. die leuchtende Plasmasäule in Neonröhren, ein el. Funke oder der Plasmafaden eines
Blitzes.
Durch die Ionisierung des Gases wird es elektrisch leitfähig. Das ist eine Grundvoraussetzung
für die künstliche Kernfusion, da das Plasma dadurch in Magnetfeldern festgehalten werden
kann.Ein Plasma bezeichnet man als gezündetes Plasma, wenn in ihm soviel Energie durch
Kernfusion erzeugt wird, daß eine andauernde Fusion selbständig aufrechterhalten werden
kann.
Für die Zündung des Plasmas sind vor allem drei Bedingungen zu erfüllen:
Eine Plasmatemperatur von 100-200 Millionen °C, eine Plasmadichte von 10*14 Teilchen pro
cm³, eine Energieeinschlußzeit von 1-2 s. Die Energieeinschlußzeit ist ein Maß für die Güte
der Wärmeisolation des Plasmas.
2.2 Die Magnetfalle
Das über 100 Millionen Grad heiße Plasma muss von der Wand des Vakuumgefäßes, der
sogenannten Ersten Wand ferngehalten werden. Jede Berührung des Plasmas mit der Ersten
Wand würde zu augenblicklichem Abkühlen und zum Abriss des Plasmas führen und
außerdem zu Schädigungen der Armierung der Ersten Wand führen. Aufgrund des hohen
Plasmadruckes sind extrem starke Magnetfelder in der Größenordnung von bis zu 10 Tesla
erforderlich. Das Plasma wird durch eine Aneinanderreihung magnetischer Spulen, die aus
ökonomischen Gründen aus Supraleitern bestehen und mittels flüssigen Stickstoffs gekühlt
werden, eingeschlossen(Abb.7). Dabei macht man sich zu Nutze, dass die Plasmateilchen,
also die Ionen an die Feldlinien des Magnetfeldes gebunden sind. Diese laufen ständig in
spiralförmigen Bewegungen um die Feldlinien. Um zu verhindern dass das Plasma an den
Polen des agnetfeldes entweicht verwendet man ringförmige, sogenannte toroidale
Magnetfelder. Da die Feldstärke des Magnetfeldes nach außen hin abnimmt, würden die
Teilchen durch diese Feldstärkeänderung ständig einen Drift nach außen erfahren und
irgendwann gegen die Wand treffen. Um dies zu verhindern verwendet man ein
schraubenförmig verdrilltes Magnetfeld(siehe Abb.8). Dieses schraubenförmig verdrillte Feld
erreicht man auf zwei unterschiedliche Arten.
Abb.8:
Abb.7:
1. Durch den Tokamak-Reaktor: Das
verdrillte Magnetfeld wird hier durch sich zwei
supraleitenden
überlagernde Magnetfelder erreicht. Erstens des
Magneten erzeugt,
torodiale Feld, das durch äußere Spulen erzeugt
schließen das
Fusionsplasma ein.
wird. Zweitens das Feld eines im Plasma
Die
fließenden Stroms. Dieser Strom wird durch
Magnetfeldspulen
einen Transformator induziert. Zur Fixierung
bilden eine
der Lage des Stroms im Plasma benötigt der
"Tokamak"Tokamak zusätzlich noch ein vertikales Feld.
Konfigruation
2. Durch den Stellarator: Bei diesem
Reaktortyp wird die Verdrillung des Feldes nur durch äußere Feldspulen erzeugt. Dies
erfordert aber eine sehr komplizierte Anordnung und Aufbau der Feldspulen. Allerdings
kommt dieser Reaktor ohne Transformator aus.
Starke Felder, von
Bei beiden Reaktortypen werden aber durch Zusammenstöße der Teilchen untereinander
trotzdem immer wieder Teilchen nach außen gegen die Wand geschleudert. Dort schlagen sie
schwere Atome, z.B. der Elemente Eisen, Nickel heraus. Gelangen diese ins Plasma nehmen
sie Energie auf und geben sie in Form von UV-Licht oder Röntgenstrahlen wieder ab, dadurch
wird das Plasma stark abgekühlt, was zu einem Erlöschen der Kernverschmelzung führt. Die
Kontrolle der Wechselwirkungen zwischen Wand und Plasma zur Erzeugung von sauberen
Plasma ist deshalb auch eine große Aufgabe in der Fusionforschung.
2.3 Die Varianten der Plasmaheizung
Das Plasma kann nach dem Prinzip des Transformators zunächst durch induzierten Strom bis
auf ca. 15 Millionen Grad aufgeheizt werden. Danach versagt diese Heizungsmethode wegen
des bei dieser Temperatur verschwindenden Ohm’schen Widerstandes des Plasmas. Neben
Methoden wie z.B. Neutralteilcheninjektion kann die weitere Aufheizung bis auf über 100
Millionen Grad durch Einstrahlen von Millimeterwellen erfolgen, die an die Frequenz der um
die magnetischen Feldlinien rotierenden (in der Fachsprache: gyrierenden) Elektronen oder
Ionen angepasst sind. Weiterhin werden Mikrowellen zur Diagnostik und Stabilitätskontrolle
des Plasmas eingesetzt. Genaue Beschreibung der drei Methoden:
Die Stromheizung: Das Plasma ist elektrisch Leitfähig und besitzt einen gewissen
Widerstand. Wird nun im Plasma ein Strom induziert, erzeugt dieser durch den Widerstand
Wärme im Plasma. Da der Widerstand aber mit steigender Temperatur abnimmt, ist dieses
Verfahren nur für die Anfangsheizung geeignet. Der Strom wird durch einen Transformator
induziert. Da der Plasmastrom seine Richtung aber nicht ändern soll, kann immer nur eine
Halbwelle der induzierten Wechselspannung ausgenutzt werden, d.h. der Plasmastrom fließt
nur pulsweise.
Die Hochfrequenzheizung: Die Ionen und Elektronen des Plasmas führen im Magnetfeld
verschiedene Eigenschwingungen aus. Wird nun eine elektromagnetische Welle gleicher
Frequenz eingestrahlt, können die Teilchen aus dem Feld der Welle Energie aufnehmen und
über Zusammenstöße an andere Teilchen weitergeben. Dies führt dann wiederum zu einer
Plasmaaufheizung.
Die Neutralteilchenheizung: Werden Teilchen mit hoher Bewegungsenergie über einen sog.
Neutralteilcheninjektor ins Plasma hineingeschossen geben diese ihre Energie an die
Plasmateilchen weiter und heizen somit das Plasma auf. In dem Neutralteilcheninjektor
werden zunächst Ionen freigesetzt und beschleunigt. Damit sie von dem Magnetfeldkäfig
nicht abgelenkt werden, werden sie dann wieder neutralisiert. Dann werden die neutralen
Teilchen ins Plasma geschossen.
2.4 Die Brennstoffnachfüllung
Ist das Plasma einmal gezündet, muss natürlich ständig neuer Brennstoff nachgefüllt werden.
Dafür gibt es verschiedene Methoden:
· Gaseinlaß vom Gefäßrand
· Neutralteilcheninjektion
· Pelletinjektion: Die Pelletinjektion stellt zur Zeit die aussichtsreichste Art der
Brennstoffnachfüllung dar. Dabei wird das Deuterium und Tritium so stark abgekühlt bis es
gefriert und Kügelchen von wenigen Millimetern Durchmesser, sog. Pellets geformt werden
können. Diese werden dann in Gaskanonen oder Zentrifugen auf 1200 m/s (4-fache
Schallgeschwindigkeit) beschleunigt und ins Plasma geschossen. Dabei wird mit einem
einzigen etwa 1 mg schweren Pellet bereits 1/3 des Plasmas nachgefüllt. Da durch die Pellets
der Brennstoff gezielt an beliebiger Stelle in das Plasma gebracht werden kann, kann man mit
dieser Methode auch das Dichteprofil vorteilhaft verändern, sowie bei einem späteren
Fusionskraftwerk des Auswaschen der Fusionsasche Helium verbessern.
2.5 Das Fusionskraftwerk
Kernstück eines Fusionskraftwerks ist die ringförmige Brennkammer(Abb.7). Sie enthält das
Deuterium-Tritium-Plasma. Bis zur Zündung führt eine Startheizung für einige Sekunden eine
Leistung von etwa 50 bis 100 MW zu. Ist das Plasma gezündet wird die Heizung wieder
abgestellt. Die Fusionneutronen können den Magnetfeldkäfig wegen ihrer Neutralität
ungehindert verlassen. Das Plasmagefäß ist von einem lithiumhaltigen Mantel, dem ,,Blanket"
umgeben. Hier erbrüten die auftreffenden Neutronen aus dem Lithium den Fusionsbrennstoff
Tritium. Dieses wird dann zusammen mit dem Restbrennstoff der ständig vom Rand des
Plasmaraumes entfernt wird, wieder dem Plasma zugeführt. Weiterhin muss natürlich auch
ständig Deuterium ins Plasma, sowie Lithium ins Blanket gebracht werden. Die im Plasma
freiwerdende Energie wird durch die schnellen Neutronen ins Blanket übertragen und dort mit
Hilfe von Wärmetauschern abgeführt. Diese Wärmeenergie wird dann wie bei den üblichen
Kraftwerken über Turbinen und Generatoren in elektrische Energie umgewandelt.
Der Reaktor muß natürlich zusätzlich noch von einem Schutzmantel gegen die radioaktive
Strahlung des Tritiums umgeben sein. Ein Problem beim Fusionsreaktor ist ebenfalls die
Aktivierung des umgebenden Materials durch die freiwerdenden schnellen Neutronen. Um
möglichst wenig radioaktive Abfälle zu erzeugen, verwendet man im Reaktor hauptsächlich
Materialien mit geringem Aktivierungspotential. Bis jetzt ist man zu keiner entgültigen
Lösung zur Erhaltung des Brennstoffkreislaufes gekommen. Ungefähr könnte der Kreislauf so
aussehen wie in Abb.9.
In einem solchen Kraftwerk könnten in der Zukunft aus einem Gramm Brennstoff ca. 90 000
kwh erzeugt werden. Dies entspricht ungefähr der Verbrennungswärme von 11 t Kohle.
2.6 Perspektiven der Kernfusion
Wenn man sich das alles durchgelesen hat, so müsste man meinen, dass der Weg zum fertigen
Reaktor nicht mehr weit ist. Tatsächlich gibt es auch schon funktionierender Prototypen
solcher Fusionsreaktoren, doch wäre es verwegen zu diesem Zeitpunkt schon von Energie aus
Fusion zu reden. Dafür gibt es noch zu viele unbeantwortete Fragen, zu viele ungelöste
Probleme und zu viele unausgereifte Lösungen. Hinzu kommt noch, dass durch den starken
Boom der alternativen Energiequellen die Geldmittel für die Forschung an der Kernfusion
gekürzt wurden. Wenn man den Forschern glauben schenken möchte, so sollte in spätesten 50
Jahren der erste Reaktor seinen Strom einspeisen. Bis dahin gilt es aber noch viel zu tun.
Trotzdem ist es meiner Meinung nach von höchster Wichtigkeit, eine sichere und saubere
Energieversorgung zu entwickeln. Auch wenn ein großes Sparpotential vorhanden ist, das in
jedem Fall auch genutzt werden sollte, wird das nicht ausreichen. Indien und China werden
auf die Anforderungen ihrer wachsenden Wirtschaft reagieren und es bestehen bereits
Programme, die Energieproduktion von heute mindestens zu verdreifachen. Neue
Möglichkeiten sind zwingend notwendig, denn wenn der Bedarf wie geplant vor allem mit
konventionellen Kraftwerken (also Kohle und Gas) gedeckt wird, ist in Hinblick auf den
Treibhauseffekt (aus den Medien für den Moment zwar entschwunden, nichts desto trotz
unvermindert präsent) nichts gutes zu erwarten. Deshalb ist meiner Ansicht die
Energiegewinnung aus der Kernfusion auch so wichtig für die Menschheit. Denn sollte sie
eines Tages wirklich „funktionieren“, dann wäre das die beste und effizienteste Methode zur
Energiegewinnung und zweifellos eine der bedeutensten Errungenschaften der Menschheit.
Aber wie heißt es so schön: Die Zukunft steht in den Sternen.
Abb.9:
Schlusswort
Zum Schluss würde ich noch gerne Albert Einstein dafür danken, dass er eine so schöne
Einleitung für mein Spezialgebiet geschrieben hat und möchte es ihm deshalb gerne widmen.
Weiters möchte ich darauf hinweisen, dass alle grammatikalischen und orthographischen
Kreationen und Freiheiten in ihrer Einzigartigkeit von immenser Wichtigkeit sind und darum
nicht verändert werden sollen und dürfen. Alle Vervielfältigungen sind zwar nicht
urheberrechtlich geschützt, dürfen jedoch nur zum Wohle aller Schüler dieser Welt und nicht
gegen sie verwendet werden. Ganz zu letzt danke ich noch der Druckerei Donabauer, die es
mir ermöglicht hat diese Arbeit in eben dieser Qualität vorzulegen.
Quellenangabe:
Bücher / Veröffentlichungen:
•
•
•
•
Wie funktioniert das? Die Technik im Leben von heute; 3. vollst. überarb. Auflage
- Mannheim, Wien, Zürich 1986.
ISBN 3-411-02378-3
Kernfusion - Berichte aus der Forschung (Folge 1); Max-Plank-Institut für
Plasmaphysik (IPP); ISSN 0172-8482
Kernfusion im Forschungsverbund; Forschungsverbund Fusion der Herrmann von
Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungseinrichtungen (HGF)
Europhysics News - Volume 29, Number 6; European Physical Society; SpringerVerlag; ISSN 0531-7479
Kernfusion statt Atomspaltung, Robert Gerwin, Verlag R. Oldenbourg, München
1959
Internet:
· http://www.ipp.mpg.de : Max-Plank-Institut für Plasmaphysik
· http://www.kfa-juelich.de/ipp : Institut für Plasmaphysik - Forschungszentrum Jülich
· http://www.jet.uk : JET-Projekt
· http://www.iter.org : ITER-Projekt
Index:
Vorwort...............................................................................................................................3-4
1.Die physikalischen Grundlagen.......................................................................................5-8
1.1 Der Massendefekt...................................................................................................5
1.2 Massenüberschuss und Bindungsenergie...............................................................5
1.3 Physikalischen Einheiten und Grössen..................................................................5-6
1.4 Kernverschmelzung hängt nicht nur von Masse und Ladung ab...........................6-7
1.5 Was geschieht bei der Kernfusion?........................................................................8
2.Kernfusion im Reaktor....................................................................................................9-12
2.1 Zündbedingungen...................................................................................................9
2.2 Die Magnetfalle......................................................................................................9-10
2.3 Die Varianten der Plasmaheizung..........................................................................10-11
2.4 Die Brennstoffnachfüllung.....................................................................................11
2.5 Das Fusionskraftwerk.............................................................................................11
2.6.Die Perspektiven der Kernfusion............................................................................11-12
Schlusswort........................................................................................................................12
Quellenangabe....................................................................................................................13