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. Diese fossilen Energieträger sind uns so wichtig geworden wie die Luft zum Atmen. Aber genau diese Atemluft und das Klima werden zusätzlich vom CO2 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. Bis zum Jahr 2009 hat die Bundesrepublik insgesamt 3,3 Mrd. Euro für die Fusions-Forschung ausgegeben. Weltweit sind es nahezu 100 Mrd. Dollar. Produkte dieser Forschungen sind interessante Prototypen und Versuchsanlagen, welche auf unterschiedliche Reaktortypen aufbauen.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Was ist Kernfusion
3. Geschichte des Fusionsreaktors
4. Reaktorkonzepte mit magnetischem Einschluss
4.1 TOKAMaK
4.2 Stellarator
4.3 ITER
5. Reaktorkonzepte mit Trägheitseinschluss
6. Praxistauglichkeit
7. Fazit
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist es, den komplexen Prozess der Kernfusion sowie die verschiedenen Reaktortypen zu erläutern, um eine Einschätzung darüber zu gewinnen, ob Fusionsreaktoren eine realistische Zukunftsoption darstellen oder lediglich als theoretisches Konzept zu betrachten sind.
- Grundlagen der physikalischen Prozesse bei der Kernfusion
- Historische Entwicklung der Fusionsforschung und technologische Meilensteine
- Vergleich der Reaktorkonzepte mit magnetischem Einschluss (TOKAMaK, Stellarator)
- Analyse des Trägheitseinschluss-Prinzips
- Bewertung der Praxistauglichkeit, Wirtschaftlichkeit und Sicherheitsaspekte
Auszug aus dem Buch
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 c²=E/m. 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 (fusionieren) können.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beleuchtung der Endlichkeit fossiler Brennstoffe und der Notwendigkeit alternativer Energiequellen zur Sicherung der Grundlaststromversorgung.
2. Was ist Kernfusion: Erläuterung der physikalischen Grundlagen, des Massendefekts und der notwendigen Parameter wie Temperatur, Einschlusszeit und Dichte zur Erreichung einer Fusion.
3. Geschichte des Fusionsreaktors: Überblick über die historische Entwicklung von der theoretischen Vermutung im Jahr 1929 bis hin zur Entstehung internationaler Forschungsprojekte wie JET und ITER.
4. Reaktorkonzepte mit magnetischem Einschluss: Detaillierte Betrachtung der Toruskonfiguration und der Funktionsweisen von TOKAMaK- und Stellarator-Prinzipien zur Plasmakontrolle.
5. Reaktorkonzepte mit Trägheitseinschluss: Beschreibung einer alternativen Methode mittels Hochleistungslasern, die auf dem Prinzip der Verdichtung durch Explosionsdruck basiert.
6. Praxistauglichkeit: Kritische Auseinandersetzung mit der technischen Realisierbarkeit, Sicherheitsaspekten und den ökonomischen Herausforderungen der kommerziellen Nutzung.
7. Fazit: Bewertung der politischen und finanziellen Unterstützung der Fusionsforschung mit einem Plädoyer für die Fortsetzung der Projekte zur Sicherung der zukünftigen Energieversorgung.
Schlüsselwörter
Kernfusion, Fusionsreaktor, TOKAMaK, Stellarator, ITER, Plasma, Lawson-Kriterium, Trägheitseinschluss, Energieversorgung, Tritium, Deuterium, Energiewende, Grundlaststrom, Radioaktivität, Magnetischer Einschluss
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das Potenzial der Kernfusion als zukünftige Energiequelle und beleuchtet die verschiedenen technischen Reaktorkonzepte.
Was sind die zentralen Themenfelder der Publikation?
Physikalische Grundlagen der Fusion, historische Entwicklung, verschiedene Reaktortypen sowie die wirtschaftliche und sicherheitstechnische Bewertung.
Welches primäre Ziel verfolgt die Arbeit?
Das Ziel ist es, einen Gesamteindruck zur Thematik Fusion zu vermitteln und zu klären, ob Fusionsreaktoren eine realistische Energiealternative sind.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Die Arbeit stützt sich auf eine fundierte Literaturanalyse, aktuelle Sachstandsberichte und Dokumente des deutschen Bundestages.
Welche Schwerpunkte werden im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil konzentriert sich auf die physikalischen Bedingungen, die Reaktordesigns (TOKAMaK, Stellarator, Trägheitseinschluss) und deren praktische Umsetzbarkeit.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit charakterisieren?
Die zentralen Schlagworte sind Kernfusion, ITER, TOKAMaK, Stellarator, Lawson-Kriterium und nachhaltige Energieversorgung.
Was ist das sogenannte Lawson-Kriterium?
Es definiert das notwendige Zusammenspiel von Temperatur, Dichte und Einschlusszeit, damit eine Tritium-Deuterium-Reaktion mit positiver Energiebilanz ablaufen kann.
Warum wird ITER als Vorzeigeprojekt betrachtet?
ITER verbindet als international kooperatives Projekt die Vorzüge der bisherigen Konzepte und soll erstmals selbst-brennendes Plasma erzeugen.
Wie schätzt der Autor die Sicherheitsaspekte ein?
Der Autor argumentiert, dass ein GAU wie bei Kernkraftwerken bei Fusionsreaktoren technisch ausgeschlossen ist, da der Plasmastrom bei Störungen sofort abreißt.
Welchen Stellenwert nimmt die Wirtschaftlichkeit ein?
Obwohl die Anschaffungskosten hoch sind, stellt der Autor die Relevanz der Kernfusion angesichts steigender Preise für fossile Brennstoffe und der Notwendigkeit zur Grundlastfähigkeit heraus.
- Arbeit zitieren
- Bachelor of Arts Michael Estel (Autor:in), 2010, Der Fusionsreaktor - Ablauf der Kernfusion und Reaktorkonzepte, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/186881
