Kernfusion. Ein Überblick

Inhaltsverzeichnis

1. Geschichtlicher Hintergrund

2. Grundlagen

3. Technische Ansätze

4. Derzeitiger Stand und Zukunftsaussichten

5. Mögliche Gefahren

6. Schlusswort

7. Literaturverzeichnis

Kernfusion – ein Überblick

1. Geschichtlicher Hintergrund

Über neunzig Prozent des Weltenergiebedarfs werden heute aus fossilen Energie- quellen gedeckt. Da diese Energiequellen aber begrenzt sind und wohl in den nächsten 100 Jahren zur Neige gehen werden, müssen möglichst schnell andere Formen der Energiegewinnung erforscht werden. Eine der vielversprechensten Möglichkeiten ist die Kernfusion.

Die Idee zur Gewinnung von Energie durch Kernfusion stammt aus der Natur. In der Sonne findet dieser Prozess schon seit Milliarden Jahren statt. Dies konnte 1938/39 von Carl Friedrich von Weizsäcker theoretisch nachgewiesen werden. Die Fusionsforschung ist aus der Forschung an der Wasserstoffbombe hervorgegangen. Die Wasserstoffbombe stellt den Beweis der technischen Möglichkeit der Kernfusion dar, allerdings

läuft diese Fusionsreaktion unkontrolliert ab. Die Fusionsforschung begann gleich nach dem zweiten Weltkrieg mit viel Optimismus. In den USA , der Sowjetunion und Großbritannien versuchte man, unabhängig voneinander und unter strengster Geheimhaltung, einen Fusionsreaktor zu bauen. Da man aber die damit verbunden Schwierigkeiten unterschätzt hatte, wurde die Geheimhaltung zugunsten der internationalen Zusammenarbeit aufgeben. In den folgenden Jahren beschäftigte man sich weniger mit dem Bau eines Fusionsreaktors, sondern mit den Problemen der Plasmaphysik im allgemeinen. Es wurden verschiedene Konzepte und Projekte

zur Kernfusion entwickelt, der entscheidende Durchbruch, der Bau eines wirtschaftlichen Fusionsreaktors, ist aber bis heute noch nicht gelungen. Ging man Mitte der Fünfziger noch von 20 Jahren bis zum Bau eines Reaktors aus, so verschoben sich die Prognosen im Laufe der Zeit immer weiter. Heute geht man davon aus, dass die Kernfusion erst ab etwa 2050 allmählich einen Marktanteil an der Energieerzeugung er-

obern wird.(vgl. Kontrollierte Kernfusion: Stand, Probleme, Entwicklungsschritte S. 6 ;

http://versuchstechnik.de/kernfusion/fusionsreaktor.pdf)

2. Grundlagen

Bevor wir die Grundlagen der Kernfusion betrachten, muss der Begriff Kernfusion definiert werden. Kernfusion ist die Verschmelzung von zwei leichten Atomkernen zu einem schweren Atomkern, wobei Energie frei wird. Der daraus resultierende Energiegewinn lässt sich mit den Massendefekt und den unterschiedlichen Kernbindungsenergien der Atomkerne begründen. Nach der von Albert Einstein gefundenen Beziehung DE= (mi -mf )c2 wird die Differenz der Ausgangsmassen (mi ) und der Massen der Endprodukte (mf ) den Betrag DE in Form von kinetischer Energie

freigesetzt. Die Bindungsenergie eines Atomkerns resultiert aus dem Massenunterschied

des gesamten Kerns und der Summe seiner einzeln betrachteten Nukleonen; die Kern- bindungsenergie ist ein direktes Maß für den Massendefekt d. h. eine größere Bindungs- energie entspricht einem größeren Massenunterschied. Die Darstellung der spezifischen Bindungsenergie pro Nukleon aufgetragen über der jeweiligen Gesamtmasse des Kerns zeigt, dass die Fusion zweier Kerne niedriger Masse zu einem Atomkern mit höherer Bindungsenergie führt; somit wird Energie freigesetzt.

(vgl. Grafik; www.ipp.mpg.de/BB/Kernfusion/Kernfusion1.html)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Energie, die pro Nukleon bei einem Verschmelzungsvorgang freigesetzt wird, liegt deutlich über der eines Spaltungsvorganges, wie er einem herkömmlichen Atomkraft-

werk auftritt, pro Nukleon freiwerdenden Energie. Bei einem Fusionskraftwerk muss also eine wesentlich geringere Masse an „Brennstoff“ eingesetzt werden als bei einem

Atomkraftwerk. Es drängt sich also die Frage auf, warum wir unsere Energie nicht schon lange durch Kernfusion gewinnen. Der Grund liegt in den Reaktionsbedingungen,

bei denen Atomkerne verschmelzen. Da Atomkerne aus Protonen und Neutronen bestehen, also positiv geladen sind, müssen bei der Fusion von Atomkernen „die elektrostatischen Abstoßungskräfte zwischen den Kernen [...] überwunden werden.“¹

Dazu müssen sich die Atomkerne auf etwa 10-15 m nahe kommen. Erst auf dieser kurzen Distanz wird die elektrostatische Abstoßung durch anziehende Kernkräfte überwunden.

„Für die auf der Erde am einfachsten zu realisierende Fusionsreaktion zwischen Deuterium und Tritium beträgt die benötigte Teilchenenergie ungefähr 10000 Elektronenvolt. Diese Energie entspricht einer Gastemperatur von mehr als einhundert Millionen Grad, das ist sieben- bis zehnmal so hoch wie im Zentrum der Sonne.“²

Bei solch hohen Temperaturen liegt Materie im vierten, der fünf Aggregatszustände (fest, flüssig, gasförmig, als Plasma und Einstein-Bose-Kondensat) vor; als sogenanntes Plasma, d.h. „ein elektrisch leitendes, aber nach außen hin neutrales Gemisch, in dem sich Elektronen und Ionen nahezu unabhängig voneinander bewegen.“³ Welche technischen Ansätze sich die Wissenschaft bis heute entwickelt hat, um die Kernfusion trotz dieser schwierigen Bedingungen einmal zu realisieren, soll im Folgenden darlegt werden. (vgl. Kernfusion - Eine Herausfoderung für die Menschheit S. 4,10)

[...]

¹ Stark, Abitur Training Chemie 1 (S.74)

² IPP Jülich, Kernfusion - Eine Herausfoderung für die Menschheit, Ausgabe Juli 2001 (S. 3)

³ IPP Jülich, Kernfusion - Eine Herausfoderung für die Menschheit, Ausgabe Juli 2001 (S. 4)