Inhaltsverzeichnis  

Kapitel  Inhalt Seite  

  - Inhaltsverzeichnis  1

1  Einleitung  2

2  Was ist Kernfusion.  3

3  Geschichte des Fusionsreaktors.  5

4  Reaktorkonzepte mit magnetischem Einschluss  7

4.1  TOKAMaK  8

4.2  Stellarator  8

4.3  ITER  9

5  Reaktorkonzepte mit Trägheitseinschluss  9

6  Praxistauglichkeit.  10

7  Fazit  12

  - Literaturverzeichnis  13

  - Anlagen  15

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1.   Einleitung    

Ständig  wird  es  der  Menschheit  bewusster,  dass  die  fossilen  Brennstoffe  begrenzt  sind.  Die   Presse   berichtet   vom   "Peak   Oil",   von   steigenden   Kraftstoffpreisen   und   vom   Krieg   ums   Erdöl.   Aber   nicht   nur   Öl   wird   selten,   auch   die   Erdgas-­‐,   Kohle-­‐   und   Uranressourcen   sind   endlich.     Es  existieren  zwar  mehrere  Berechnungen  zum  genauen  Zeitpunkt,  aber  sicher  ist,  dass  der   Bedarf   an   Energie   bereits   Mitte   des   21.   Jahrhunderts   höher   ist   als   aus   Kohle,   Gas   und   Öl   erzeugt   werden   kann   (vgl.   Pelte,   2010,   S.94   ff.   ).   Diese   fossilen   Energieträger   sind   uns   so   wichtig   geworden   wie   die   Luft   zum   Atmen.   Aber   genau   diese   Atemluft   und   das   Klima   werden   zusätzlich   vom   CO 2   durch   das   Verbrennen   dieser   fossilen   Energieträger   beeinträchtigt.   Doch   unser   Überlebenstrieb   begünstigt   die   Forschung   nach   alternativen   Energiequellen.   Man   nutzt   bereits   Windkraft,   Sonnenenergie,   Gravitationsenergie   (Gezeitenkraftwerke),   Biogas   und   Erdwärme.   Doch   diese   alternativen   Energiequellen   sind   vom   Wetter   abhängig,   unterliegen   gewissen   Leistungsschwankungen,   produzieren   nur   wenig   Energie   oder   benötigen   einen   Energiespeicher   wie   Druckluft-­‐Energiespeicher   oder  

Pumpspeicherkraftwerke.  Somit  forscht  man  weiter  an  leistungsfähigeren  Kraftwerken  und   Energieträgern   zur   Bereitstellung   von   Grundlaststrom.  

Eines   der   energiereichsten   Ereignisse   des   Universums   ist   die   Verschmelzung   von   Wasserstoff   zu  Helium.  Dieses  Ereignis  passiert  ständig  in  der  Sonne,  aber  auch  bei  der  Explosion  einer   Wasserstoffbombe.   Zu   kriegerischen   Absichten   hat   die   Menschheit   bereits   bewiesen,   dass   sie   in   der   Lage   ist,   das   "Sonnenfeuer"   auf   die   Erde   zu   holen.   Doch   sogenannte   Fusionskraftwerke   versprechen   erstmals   eine   friedliche   und   sinnvolle   Nutzung   dieser   Energie.   Schon   jetzt   investiert   die   Bundesrepublik   130   Mio.   Euro   jährlich   in   die   Fusionsforschung,   zum   Vergleich:   für   die   Forschung   an   erneuerbaren   Energien   werden   jährlich   153   Mio.   Euro   investiert   (vgl.   TAB,   2002,   S.   6).   Bis   zum   Jahr   2009   hat   die   Bundesrepublik  insgesamt  3,3Mrd.  Euro  für  die  Fusions-­‐Forschung  ausgegeben  (vgl.  Antrag   an   Bundestag.   2009,   S.1).   Weltweit   sind   es   nahezu   100   Mrd.   Dollar.     Produkte   dieser   Forschungen   sind   interessante   Prototypen   und   Versuchsanlagen,   welche   auf   unterschiedliche   Reaktortypen   aufbauen.     2    

Ziel   dieser   Hausarbeit   soll   es   sein,   den   komplexen   Prozess   der   Kernfusion   und   die   Reaktortypen   zu   erklären,   um   einen   Gesamteindruck   zur   Thematik   Fusion   zu   bekommen.   Letztendlich   wird   die   Frage   geklärt,   ob   Fusionsreaktoren   tatsächlich   eine   realistische   Alternative   mit   Zukunft   sind   oder   als   "Science   Fiction"   deklariert   werden   müssen.     Die   Quellenlage   ist   gut,   da   die   Abläufe   der   Kernfusion   im   Reaktor   logisch   nachvollziehbar   und   bewiesenermaßen   auch   funktionieren.   Angaben   verschiedener   Quellen   zum   Thema   Fusionsreaktoren  unterscheiden  sich  nicht  und  sind  allgemeingültig.  Doch  um  die  Frage  zur   Zukunft  der  Fusionsreaktoren  zu  beantworten,  ist  es  nötig,  aktuelle  Sachstandsberichte  und   Entscheidungen   der   Regierung   zu   berücksichtigen.     2.   Was   ist   Kernfusion    

Die   immense   Energie,   welche   zum   Beispiel   von   Sternen   freigesetzt   wird,   resultiert   aus   der   Kernfusion,   wobei   durch   Spaltung   oder   Verschmelzung   von   Atomkernen   sehr   große   Energien   frei  gesetzt  werden.  Die  entstandenen  Atomkerne  sind  leichter  als  das  Ausgangsprodukt.  Es   entsteht   ein   Massendefekt,   wodurch   die   "verloren"   gegangene   Masse   in   Energie   (Wärmeenergie   und   Strahlungsenergie)   umgewandelt   wird.   Erstmals   wird   dieser   Vorgang   durch   Einstein   erklärt.   Er   definierte   die   Masse-­‐Energie-­‐Äquivalenzformel   = .   Da   die   Lichtgeschwindigkeit   "c"   nicht   veränderbar   ist,   aber   sich   die   Masse   bei   der   Kernfusion   verringert,   muss   sich   dementsprechend   die   Energie   erhöhen.   Obwohl   der   Masseverlust   verhältnismäßig   gering   ist,   ist   die   Ausgleichsenergie   gewaltig   (vgl.   Wichler,   2004   S.   292ff).   Die   für   die   Fusionsreaktoren   relevante   Fusion   ist   die   Verschmelzung   von   leichten   Atomkernen.   Damit   Atomkerne   überhaupt   verschmelzen,   müssen   bestimmte   Bedingungen  

erfüllt   sein.   Als   erstes   eine   hohe   Temperatur,   nur   eine   entsprechende   Temperatur   von   ca.   100  Mio.  Kelvin  sorgt  dafür,  dass  die  Bewegung  der  Atomkerne  so  stark  zunimmt,  dass  sich   die   Kerne   entgegen   der   elektromagnetischen   Coulombabstoßung   annähern   und   durchtunneln  können.  Es  entsteht  Plasma.  Innerhalb  des  Plasmas  bewegen  sich  Elektronen   und  Atomkerne  frei  voneinander.  Damit  es  auch  zur  Verschmelzung  der  Atomkerne  kommt,   muss   dieser   Plasma-­‐Zustand   eine   Zeit   lang   (Einschlusszeit)   aufrechterhalten   bleiben   (bei   Sternen   z.B.   seit   Milliarden   von   Jahren)   und   zusätzlich   verdichtet/komprimiert   werden.   Es   entwickelt  sich  ein  Plasmastrom,  in  dem  die  Atomkerne  dann  kollidieren  und  verschmelzen   3    

(fusionieren)   können.   Wenn   es   unter   den   besagten   Umständen   zu   einer   Fusion   mit   positiver   Energiebilanz   kommt,   entsteht   genug   Energie   um   die   Temperatur-­‐   und   Dichte-­‐Parameter   selbstständig  zu  erhalten.  Unter  diesen  Parametern  spricht  man  vom  Larson  Kriterium  (vgl.   Pelte,   2010,   S.   119   ff.).  

Hier   ergeben   sich   auch   die   Herausforderungen   für   die   Erzeugung   von   Kernfusion   mit   positiver  Energiebilanz  auf  der  Erde.  Plasma  lässt  sich  zwar  erzeugen,  doch  es  ist  schwierig,   Baumaterialien   zu   finden,   welche   der   thermischen   und   radioaktiven   Strahlung   des   Plasmastroms  und  der  entstehenden  Energie  standhalten  können.  Aber  auch  die  Erzeugung   der   entsprechenden   Dichte   erweist   sich   als   schwierig   (vgl.   Grupen,   2008,   S.232ff).   Bisher   nutzt   man   2   verschiedene   Wege   um   Plasma   einzuschließen   und   eine   Fusion   zu   erzeugen,   ohne   dass   Plasma   die   Wände   der   Reaktorkammer   berührt.   Zum   einen   versucht   man,   das   Plasma   mit   starken   Magnetspulen   zu   kontrollieren   und   zu   verdichten,   dieses   Prinzip   nennt   sich   "magnetischer   Einschluss"   und   zum   anderen   versucht   man   nur   so   kleine   Mengen   an   Plasma  zu  erzeugen,  dass  sich  die  Atome  aufgrund  der  eigenen  Trägheit  verdichten,  dies  ist   das   "Trägheitseinschluß"-­‐   Prinzip   (vgl.   Pelte,   2010,   S.119).    

Die   Wahl   des   Brennstoffes   ist   ebenfalls   entscheidend   für   die   Effizienz   und   Nutzbarkeit   von   Fusionsreaktoren.   Grundsätzlich   verschmilzt   Wasserstoff   zu   Helium.   Doch   um   eine   erfolgreiche  Fusion  zu  erreichen,  muss  Wasserstoff  als  Isotop  vorliegen.  Das  heißt,  dass  das   Wasserstoffatom   im   Atomkern   zum   Proton   noch   ein   oder   zwei   Neutronen   besitzen   muss.   Mit   einem   Neutron   bezeichnet   man   den   nun   "schweren"   Wasserstoff     als   Deuterium   und   mit   zwei  Neutronen  im  Atomkern  als  Tritium.  Am  einfachsten  (relativ  niedrige  Temperatur  und   weniger  Dichte)  lässt  sich  die  Fusion  bei  der  Verschmelzung  von  Deuterium  (d)  und  Tritium   (t)   erreichen.    

d  +  t  -­‐-­‐>  He  +  n  (n=Neutronen=  radioaktive  Strahlung),  die  wissenschaftlichere  Schreibweise   wäre:  

Es   entsteht   bei   diesem   Prozess   radioaktive   Strahlung,   was   wiederum   zu   einer   nützlichen   Erhitzung  des  Plasmas,  aber  auch  zu  radioaktiven  Müll  und  zusätzliche  Umweltbelastungen   führt.   Deshalb   muss   man   Reaktormaterialien   erforschen,   welche   nur   schwer   radioaktiv   werden,  bzw.  schnell  aufhören  zu  strahlen.  Deuterium  wird  mit  Elektrolyse  aus  Meerwasser   4