Kernfusionsreaktoren. Reaktortechnik der Zukunft?

Facharbeit (Schule) , 2021 , 20 Seiten , Note: 14

Physik - Kernphysik, Teilchenphysik

Eine der größten Herausforderungen unserer Zeit ist es, die weltweite Klimakrise in den Griff zu bekommen. Dabei macht die Politik es sich immer wieder zum Ziel weg, von fossilen Brennstoffen und Atomkraft hin zu erneuerbaren Energien zu kommen. Dieses Vorhaben ist kein einfaches, aber durchaus ein effektives, da laut einer Statistik des Umweltbundesamtes die Energiewirtschaft knapp 32,4 % der gesamten CO2-Emissionen in Deutschland ausmacht.

Damit diese Transformation gelingt, wird momentan sehr stark auf erneuerbare Energien wie Photovoltaik oder Windkraft gesetzt. Manch einer wünscht sich sogar die Rückkehr der Atomkraftwerke. Doch möglicherweise gibt es auch noch eine weiter Alternative: die Kernfusion.

Und um genau diese Art der Energiegewinnung soll es in diese Facharbeit gehen. Zu Beginn werde ich die Grundlagen der Kernfusion erläutern, anschließend die aktuellen vielversprechendsten Reaktorarten Stellarator und Tokamak vorstellen, danach wird es noch kurz um Umwelt und Sicherheit gehen, bevor wir abschließend die Frage klären, ob wir in Zukunft wirklich Strom von Fusionsreaktoren beziehen können und wenn ja, wann.

Inhaltsverzeichnis

1. Grundlagen der Kernfusion
1.1. Fusionsreaktion
1.2. Plasma
1.3. Magnetischer Einschluss
1.4. Plasmaheizung

2. Reaktoren
2.1. Tokamak
2.2. Stellarator

3. Umwelt und Sicherheit

4. Zukunft der Kernfusionsreaktoren
4.1. Kritischer Blick
4.2. Fazit

Glossar

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abb 1: Reaktionspartner als Funktion der Energie

Abb 2: Form eines Torus

Abb 3: Aufbau Tokamak

Abb. 4: Aufbau Stellarator

Einleitung

Eine der größten Herausforderungen unserer Zeit ist es, die weltweite Klima­krise in den Griff zu bekommen. Dabei macht die Politik es sich immer wieder zum Ziel weg von fossilen Brennstoffen und Atomkraft hin zu erneuerbaren Energien zu kommen. Dieses Vorhaben ist kein einfaches, aber durchaus ein effektives, da laut einer Statistik des Umweltbundesamtes die Energiewirt­schaft knapp 32,4%1 der gesamten CO2-Emissionen in Deutschland ausmacht. Dazu kommt, dass Schätzungen des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie ergeben haben, dass im Jahre 2030 der Stromverbrauch bei 655 TWh^{1 2} liegen wird, was einen Zuwachs von rund 20% im Vergleich zu 2020 bedeuten würde. Daran sehen wir eindeutig wie wichtig der Umbau unseres Energiesys­tems ist, um unsere Zukunft und die der nachfolgenden Generationen zu si­chern.

Damit diese Transformation gelingt, wird momentan sehr stark auf erneuerbare Energien, wie Photovoltaik oder Windkraft gesetzt. Manch einer wünscht sich sogar die Rückkehr der Atomkraftwerke. Doch möglicherweise gibt es auch noch eine weiter Alternative: die Kernfusion. Im Unterschied zur Kernspaltung werden hier zwei Atome miteinander verschmolzen (fusioniert), wodurch eine sehr große Menge an Energie frei wird. Ein Gramm Brennstoff würden ausrei­chen um 90.000 kWh Energie zu generieren, das entspricht der Verbrennungs­wärme von ca. 11.000 t Kohle.

Und um genau diese Art der Energiegewinnung soll es in diese Facharbeit ge­hen. Zu Beginn werde ich die Grundlagen der Kernfusion erläutern, anschlie­ßend die aktuellen vielversprechendsten Reaktorarten Stellarator und Tokamak vorstellen, danach wird es noch kurz um Umwelt und Sicherheit gehen, bevor wir abschließend die Frage klären ob wir in Zukunft wirklich Strom von Fusi­onsreaktoren beziehen können und wenn ja, wann.

1. Grundlagen der Kernfusion

1.1. Fusionsreaktion

Der Kernfusion liegt die Verschmelzen zweier leichter Kerne zu einem schwe­ren Kern unter der Entstehung von Energie zugrunde. Dieses Prinzip ist für uns eigentlich nichts neues, da wir tag täglich beobachten können. Sonnenstrahlen sind nichts anderes als freigewordene Energie der Kernfusion, die in der Sonne abläuft. In ihr fusionieren pro Sekunde ca. 600 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 596 Millionen Tonnen Helium³. Die „fehlenden“ 4 Millionen Tonnen Heli­um wurden in Energie umgewandelt. Die Freisetzung der Energie hängt mit der Bindungsenergie der fusionierenden Nukleonen zusammen. Der messbare Un­terschied in den Massen wird allgemein auch Massendefekt genannt und lässt sich mit Einsteins Relativitätstheorie ( E = mc[2] ⁴ ) begründen, welche aussagt, dass Masse und Energie Äquivalent zueinander sind. Außerdem lässt sich die frei werdende Energie bei der Kernfusion berechnen. Hierzu nehmen wir die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium⁵ und fusionieren sie miteinander, wobei Helium und ein Neutron entsteht:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten⁶⁷⁸

Die Gleichung zeigt noch mal eindeutig, dass sich die Masse von Edukten ( me ) zu Produkten ( m p ) verringert hat und dabei nach der Relativitätstheorie 17,586 Megaelektronenvolt (MeV) frei geworden sind.

Doch wie bekommen wir Deuterium und Tritium dazu, miteinander zu fusio­nieren. Damit das geschieht, müssen die Kerne so nah zusammengebracht wer­den, dass sie die Kraft der sich abstoßenden, positiv geladenen Kerne (Cou­lombkraft), überwinden. Um das zu erreichen sind sehr hohe Geschwindigkei- ten nötig, die durch extreme Hitze (ca. 100.000.000°C) erzeugt werden. Unter solchen Bedingungen trennen sich Elektronen und Atomkerne voneinander und bewegen sich frei im Gas herum. Dieser Zustand wird auch als Plasma genannt und gilt allgemein auch als vierter Aggregatzustand.

Abb. 1: Reaktionspartner als Funktion der Energie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Daten aus McNally S. 9-11

In Abbildung 1 ist der Reaktionsparameter für verschiedene Reaktionspaare als Funktion der Temperatur angegeben. Wie man der Abbildung entnehmen kann, ist von den angegebenen Reaktionspaaren die Kombination aus Deuterium und Tritium (blau) die, die bei niedrigen Temperaturen die höchste Reaktivität auf­weist. Da der Unterschied zu anderen Paaren so signifikant ist, nimmt man ak­tuell noch den Nachteil in Kauf das Tritium leicht radioaktiv ist (Halbwertzeit von 12,3 Jahren⁹ ). Die Kombination bietet außer der hohen Reaktivität noch andere Vorteile, wie zum Beispiel die Verfügbarkeit. In natürlich vorkommen­dem Wasserstoff sind 0,015% Deuterium enthalten, was insgesamt einer Masse 4,6 x 10[13] Tonnen Deuterium auf der Welt entspricht¹⁰. Das Vorkommen von Tritium hingegen ist deutlich seltener, allerdings kann man es direkt im Reak­tor, während der Fusionsreaktion dadurch gewinnen, dass die entstehenden Neutron, auf die Blankets treffen und Tritium aus einer Reaktion mit Lithium-6 erbrütet wird. Diese Reaktion sieht wie folgt aus:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten¹¹

Schätzungen zufolge haben wir auf der ganzen Welt 86 Millionen Tonnen¹² Lithium, wovon rund 7,6%¹³ Lithium-6 sind. Demnach beläuft sich das Vor­kommen auf der Welt auf circa 6,5 Millionen Tonnen Lithium-6.

1.2. Plasma

„Break Even“ ist eine wichtige Zustandsbeschreibung in Kernfusionsreaktoren. An diesem Punkt gleicht die kinetische Energie, die die Neutronen abgegeben, der von außen aufgewendete Energie, um die Fusionsreaktion am laufen zu halten. Der Netto Energiegewinn und der Netto Energieverlust gleichen sich also aus.

Damit ein Kernfusionsreaktor allerdings ertragreich arbeitet, muss er mehr En­ergie produzieren, als er verbraucht. Deshalb muss es zur sogenannten „Zün­dung“ des Plasmas kommen. Die Zündung beschreibt den Punkt, ab dem die Energie die das Plasma so groß ist, dass es seine Temperatur selbstständig auf­recht zu erhalten und die externe Heizung abgeschaltet werden kann. Für die Zündung gibt es drei Kriterien, einmal die Temperatur, die Einschlusszeit und die Plasmadichte - auch bekannt als das Lawson-Kriterium¹⁴. Bei einem Deute- rium-Tritium Plasma sähen die Kriterien wie folgt aus: Es muss eine Tempera­tur von ca. 100 Millionen Grad herschen, die Energieeinschlusszeit muss ca. zwei Sekunden betragen (in dieser Zeit darf die Wärmeenergie des Plasmas nicht verloren gehen), und das Plasma muss eine Dichte von 1014 Teilchen pro Kubikzentimeter haben.¹⁵

[...]

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¹ Umweltbundesamt: Treibhausgase

² Pressemitteilung vom 13.07.2021; Erste Abschätzung des Stromverbrauchs im Jahr 2030

³ vgl. Kontizer, Franziska

⁴ vgl. Raeder, Jürgen; Formel 1.1-1

⁵ vgl. Abbildung 1

⁶ vgl. Raeder, Jürgen; Formel 1.1-4

⁷ vgl. Raeder, Jürgen; Formel 1.1-3

⁸ vgl. Raeder, Jürgen; Formel 1.1-1

⁹ vgl. IPP Tritium

¹⁰ vgl. IPP Deuterium

¹¹ vgl. Kaufmann, Michael; S.256

¹² U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries

¹³ Wikipedia: Lithium

¹⁴ LEIFIphysik - Lawson Kriterium der Kernfusion

¹⁵ vgl. Kernfusion - Bericht aus der Forschung; S. 9

• Hochschule: August-Hermann-Francke-Schule Gießen
• Note: 14
• Erscheinungsjahr: 2021
• Seiten: 20
• Katalognummer: V1165607
• ISBN (PDF): 9783346575043
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: Kernfusion, Kernfusionsreaktoren, Tokamak, Stellarator, ITER