Datum: 12.10.2005

von Hermann Knüfer

  Geschichtliches

Die Kenntnisse vom Fusionsreaktor Sonne sind nicht sehr alt. Frühe Spekulationen, nach denen die Sonne aus Steinkohle bestünde, scheiterten rasch an der Brenndauer von 5000 Jahren. Auch die Zuführung von Bewegungsenergie durch große Mengen eingefangener Meteoriten schied aus, weil sich sonst in historisch übersehbaren Zeiträumen von ca. 2000 Jahren die Bewegungsverhältnisse unseres Planetensystems geändert haben müssten. Ebenso schied die Energiezufuhr durch Zusammenziehung infolge der eigenen Schwerkraft aus; sie lieferte mit einer Brenndauer von ca. 10 Millionen Jahren weniger als 1 Prozent der bisherigen Brenndauer. Erst im ersten Drittel dieses Jahrhunderts konnten Physiker - u.a. auch Carl Friedrich von Weizsäcker 1938 - theoretisch nachweisen, dass nur Kernfusion die Strahlungsleistung der Sterne und somit auch der Sonne decken kann.

Nach dem zweiten Weltkrieg begann unter dem Druck knapper und begrenzter Ressourcen früher oder später in allen Industriestaaten die Forschung auf dem Gebiet der Kernfusion. Sie erreichte allerdings nicht den Umfang wie bei der vergleichsweise rasch zu realisierenden Kernspaltung zur Stromerzeugung.

Physikalisch-technische Grundlagen

(Zwei Kernprozesse kommen zur Energiegewinnung in Betracht: Die Spaltung sehr schwerer Atomkerne, z.B. Uran, und die Fusion sehr leichter Atomkerne, z.B. Wasserstoff. Für beide Prozesse gilt, dass man je Gewichtseinheit millionenfach mehr Energie gewinnt als beim chemischen Prozess; der Verbrennung. Für die Fusion von Wasserstoff sind es etwa 20 Millionen mal mehr. Zur Fusion sind sehr hohe Temperaturen erforderlich, z.B. im Inneren der Sonne ca. 15 Millionen Grad. Bei diesen hohen Temperaturen haben sich Atomkerne als positiv geladene Ionen und die Hülle aus negativ geladenen Elektronen völlig voneinander getrennt. Man nennt dieses ionisierte Gemisch Plasma; es handelt sich sozusagen um einen vierten Aggregatzustand neben dem festen, flüssigen und gasförmigen. Die Ionen und Elektronen bewegen sich nahezu unabhängig voneinander. Das Plasma ist nach außen elektrisch neutral, innen jedoch elektrisch leitend. Die hohe Temperatur, d.h. die Geschwindigkeit der positiv geladenen Atomkerne, ist eine der Voraussetzungen, dass sie unter Überwindung ihrer gegenseitigen Abstoßungskräfte verschmelzen können. Eine zweite und dritte Voraussetzung sind in der Sonne ihre hohe Teilchendichte infolge ihrer Gravitation und die große Anzahl von Kernen aufgrund ihrer Ausdehnung. Aus den beiden letzteren Gründen können in der Sonne auch Fusionsprozesse ablaufen, die - bezogen auf das einzelne Atom - eine sehr geringe Eintrittswahrscheinlichkeit aufweisen.

Auf der Erde muss man die geringe Teilchendichte und begrenzte Ausdehnung der Fusionszone kompensieren durch höhere Temperaturen bis zu mehreren 100 Millionen Grad und die Wahl einer Fusionskette mit größerer Eintrittswahrscheinlichkeit für den Fusionsprozess. Das ist bei der Verschmelzung von Deuterium und Tritium zu Helium der Fall. Deuterium (schwerer Wasserstoff) hat zusätzlich zu einem Proton ein Neutron, Tritium zusätzlich zwei Neutronen im Kern. Wasserstoff besitzt kein Neutron. Alle drei werden Isotope des Wasserstoffs genannt. Bei der Fusion von Deuterium- und Tritiumkernen entstehen Neutronen und (sozusagen als Asche) Heliumkerne. Die dabei freigesetzte Energie fällt in Form von Bewegungsenergie des Neutrons und Heliumkerns im Verhältnis 80% zu 20% an. Die sehr große Bewegungsenergie der Neutronen und Heliumkerne wird durch Stöße an benachbarte Atomkerne als Wärme und Strahlung abgegeben.

Das neben dem Deuterium ebenfalls als „Brennstoff" erforderliche radioaktive Tritium kommt wegen seiner relativ kurzen Lebensdauer in der Natur praktisch nicht vor. In jeweils 12,3 Jahren (der Halbwertszeit) zerfällt jeweils die Hälfte der Tritiummenge in das Folgeprodukt Helium unter Hinwegschleudern eines Elektrons. (Solche instabilen Isotope heißen Betastrahler.) Tritium muss daher im Fusionsprozess als Nebenprodukt hergestellt, „erbrütet" werden. Das geschieht, indem man die beim Fusionsprozess freiwerdenden Neutronen in einem Mantel (auch Blanket genannt) aus Lithium einfängt. Lithium ist ein sehr leichtes Metall und verwandelt sich bei Einfang von Neutronen in Helium und Tritium.

Weil praktisch die gesamte Energie der Neutronen im Lithium freigesetzt wird, dient dieses Metall (eventuell mit Blei gemischt) mit einem niedrigen Schmelzpunkt von 180° C in flüssiger Form gleichzeitig zur Kühlung des Reaktors. Über Wärmetauscher gibt die Metallschmelze ihre Energie an einen Wasserdampfkreislauf ab, mit dem bei einem späteren Leistungsreaktor eine Turbine mit Generator angetrieben wird. Wegen der technologischen Probleme mit der Flüssigmetall-Kühlung wird beim späteren Demonstrationskraftwerk auch ein heliumgekühltes Blanket aus einer festen, keramischen Lithiumverbindung diskutiert. Da andere Elemente als Deuterium und Tritium den Fusionsprozess als Verunreinigungen beeinträchtigen, muss auf der Erde das Plasma in ein Ultrahochvakuumgefäß eingeschlossen werden, das möglichst wenig Fremdatome enthält.

Aus dem gleichen Grund, und um nicht zu stark abgekühlt zu werden, darf das viele Millionen Grad heiße Plasma nicht die Gefäßwände berühren, damit keine Fremdatome durch Verdampfung freigesetzt werden. Das Plasma wird daher durch extrem starke magnetische Felder, deren Erzeugung bei späteren Leistungsreaktoren auf verlustarme Supraleitung angewiesen ist, von den Wänden auf Distanz gehalten und zusammengepresst eingeschlossen.

Um das für den Beginn der Fusion notwendige Temperaturniveau zu erreichen, muss das Plasma aufgeheizt werden. Grundsätzlich ist dafür die Bereitstellung elektrischer Energie erforderlich. Die Ohmsche - oder Widerstandsheizung reicht allein nicht aus. Bei Temperaturen von ein paar Millionen Grad ist ein Wasserstoffplasma nämlich ein besserer Leiter als Kupfer bei Zimmertemperatur. Üblich sind daher hochfrequente elektromagnetische Wellen nach dem Prinzip des Mikrowellenherdes. Ferner kann man im Teilchenbeschleuniger sehr energiereiche Deuteriumatome erzeugen und ins Plasma einschießen. Dort wird deren sehr hohe Bewegungsenergie durch Stöße an Nachbaratome weitergegeben. Schließlich ist auch eine Energiezufuhr durch Laserstrahlen möglich.

Die bei der Fusion entstehende starke Neutronenstrahlung bewirkt eine Schädigung der Strukturmaterialien, insbesondere der Gefäßwand, durch Versprödung und erzeugt dort außerdem durch gewisse Kernreaktionen instabile Isotope, d.h. Radioaktivität. Das hat zur Folge, dass jeweils in Zeitspannen weniger Jahre die geschädigten Materialien fernbedient ausgetauscht werden müssen. Zusammen mit den aktivierten Reaktorteilen, die nach Betriebsende zurückbleiben, erzeugt ein Fusionskraftwerk aus den heute üblichen Stahlsorten insgesamt bis zu 40.000 Kubikmeter an radioaktivem Abfall. Um die supraleitenden Magnetspulen, die Heizapparaturen und die übrige Umgebung vor direkter Strahlung und Neutronen aus dem Plasma sowie induzierter Strahlung von den Gefäß- und Blanketmaterialien zu schützen, muss das Blanket mit einer abschirmenden Hülle umgeben werden.

Die beim Zerfall der aktivierten Isotope in den Strukturmaterialien entstehende Nachwärme macht eine längere Nachkühlung des Blankets nach dem Abschalten des Reaktors erforderlich - allerdings in abgemilderter Form verglichen mit einem Kernspaltungsreaktor.

Schließlich muss die Helium-"Asche" sowohl aus dem Fusionsgefäß als auch aus dem Lithium-Brutmantel abgesaugt und durch Kryodestillation entfernt werden.

Schweres Wasser als Ausgangsstoff für den „Brennstoff" Deuterium ist in jedem Wasser mit 15 °/°° d. h. mit 0,15 Gramm je Liter enthalten. Es wird seit Jahrzehnten in energieintensiven Isotopentrennverfahren tonnenweise hergestellt und in Schwerwasser-Spaltungsreaktoren, z.B. in Kanada, genutzt.

Fusionsreaktortypen

Bei den Reaktortypen unterscheidet man nach magnetischem und Trägheitseinschluss des Plasmas.

1. Tokamak

Beim magnetischen Einschluss besitzt weltweit der Tokamak einen Entwicklungsvorsprung gegenüber seinen Konkurrenten. Der Begriff Tokamak kommt aus Russland und heißt frei übersetzt „Toroidale magnetische Kammer". In der Tat ist die Fusionszone ein Torus. Sie gleicht einem riesigen, liegenden LKW-Reifenschlauch. Der Tokamak benötigt drei verschiedene Spulensysteme. Das magnetische Grundfeld wird durch Toroidalfeldspulen, die den Torusschlauch in gleichmäßigen Abständen voneinander ringförmig umschließen, erzeugt. Ein zweites Magnetfeld entsteht durch einen Strom, der im Plasmaschlauch als Sekundärwicklung eines Transformators von einer in der Torusnabe stehenden Primärwicklung induziert wird. Das dritte Magnetfeld wird durch Vertikalfeldspulen erzeugt, die als große, liegende Ringe parallel zur Toruswandung angeordnet sind.

Weltweit gibt es zwei große Tokamak-Experimentieranlagen, die in den letzten Jahren Aufsehen erregten: Der europäische JET (Joint European Torus) in Culham in England und der amerikanische TFTR (Tokamak Fusion Test Reaktor) in Princeton. Im JET hat man mit einer Gesamtheizleistung von 54.000 kW Plasmaströme bis zu 7 Millionen Ampere erzeugt. In beiden Anlagen wurden für die Dauer von etwa einer Sekunde Temperaturen von 250-300 Millionen Grad und eine Fusionsleistung bis zu 12.000 kW erreicht. Dazu musste allerdings das 2- bis 3,7-fache an Heizenergie aufgewendet werden.

Der nächste notwendige Schritt wäre der Bau des ITER (International Thermonuklear Experimental Reaktor). Er soll eine thermische Leistung von 1,5 Millionen kW in Pulsen für eine Dauer von jeweils 1000 Sekunden erzeugen (Stromerzeugung ist erst für das übernächste Projekt DEMO geplant). Das Großprojekt mit einem Plasmavolumen von 1000 m³ benötigt u.a. 20 Toroidalfeldmagnete mit einer Höhe von 17 m, einer Breite von 10 m und je 400 t Gewicht. Neuerdings soll es aus Kostengründen technologisch abgespeckt werden, um die Realisierungschancen zu erhöhen. Da der Projektpartner, in dessen Land das Projekt gebaut würde, mindestens 60% der Kosten von geschätzten 15 Milliarden DM übernehmen müßte, haben bisher Deutschland, Frankreich und die USA auf eine Standortzuweisung verzichtet.

Grundsätzlich ist der Tokamak eine gepulste Maschine. Weil der im Plasma induzierte Strom seine Richtung nicht umkehren soll, kann immer nur für eine begrenzte Zeit ein ansteigender oder abfallender Strom in der Primärwicklung genutzt und damit ein Strom im Plasma getrieben werden. Das ist ein großes Hemmnis für eine spätere, unterbrechungslose Stromerzeugung.

2. Stellarator

Dieses Hemmnis vermeidet der Stellarator. Er arbeitet zwar ebenfalls mit einem magnetischen Einschluss des Plasmas, aber ohne den durch eine Primärwicklung induzierten, gepulsten Plasmastrom. Neuerdings genügen allein Toroidalfeldspulen besonderer Art. Sie bestehen nicht mehr aus ebenen Ringen in größeren Abständen um den Torusschlauch, sondern aus einer größeren Anzahl räumlich verbogener, ringförmiger Spulen. Diese neuen Stellaratorspulen haben sich bereits im Experiment am „Wendelstein 7-AS" in Garching bewährt. Die Japaner nahmen nach achtjähriger Bauzeit jetzt eine größere Stellarator - Experimentieranlage LHD (Large Helical Device) in Betrieb. Sie besitzt noch die die Wartung erschwerenden, spiralförmigen Spulen um den Torus und soll von zunächst 5.000 auf später 28.000 kW Heizleistung aufgestockt werden. Dagegen wird die in Greifswald/Mecklenburg vorgesehene Stellarator - Experimentieranlage „Wendelstein 7X" schon die neuartigen Spulen erhalten. Mit einer Heizleistung von 20.000 kW und einem Torusvolumen von 30m³ soll sie im Jahr 2004 arbeitsbereit sein. Von den geschätzten 600 Millionen DM Investitionskosten werden 45% durch die EU-Kommission finanziert.

3. Laserreaktor

Beim Laserreaktor will man den langzeitigen magnetischen Einschluss des Plasmas durch im Sekunden-Rhythmus nacheinander folgende Trägheitseinschlüsse ersetzen. Zu diesem Zweck soll ein gekapseltes Kügelchen von Sandkorngröße aus Deuterium und Trithium von sehr energiereicher Laserstrahlung allseitig beschossen werden. Das von der Oberfläche des Kügelchens in ein paar Milliardstel Sekunde explosionsartig abdampfende Material verdichtet nach dem Trägheitsprinzip das Innere des Körnchens. Dabei wird im Inneren eine tausendfache Wasserdichte und eine Temperatur von einigen Millionen Grad erreicht. Das reicht für die Zündung des Fusionsprozesses, wodurch das gesamte Material des Körnchens fusionieren soll.

In den USA befindet sich eine solche Experimentieranlage NIF (National Ignition Facility) in Kalifornien im Bau. Sie soll 1,2 Milliarden Dollar kosten und im Jahr 2003 in Betrieb gehen. Dabei sind große technologische Hürden, insbesondere bei den gigantischen Lasersystemen und der Herstellung der Pellets zu überwinden. Das eigentliche Ziel des NIF ist jedoch nicht die Gewinnung von Fusionsenergie, sondern es soll dem Militär als Simulationsmodell für Wasserstoffbomben nach dem Kernwaffenteststoppabkommen dienen.

Ausblick

Ohne Zweifel ist man in den vergangenen Jahrzehnten einer kontrollierten (im Gegensatz zur unkontrollierten bei der Wasserstoffbombe) Kernfusion näher gekommen. Allein von 1993-1996 wurden in der Bundesrepublik 800 Millionen DM dafür aufgewendet. Zur Weiterentwicklung sind Großgeräte (ITER, DEMO u.a.) erforderlich, deren Investitions- und Folgekosten die Finanzkraft von Staatengemeinschaften erfordern. Folgende Zweifel bleiben bestehen:

1. Es ist nicht sicher, ob es physikalisch-technisch gelingt, die Voraussetzungen für eine stetige Nettoproduktion zu schaffen.

2. Es ist nicht sicher, ob es wegen der erforderlichen extrem aufwendigen Technologie gelingt, technisch-wirtschaftliche Lösungen zu finden.

3. Es ist sicher, dass selbst bei einem Gelingen von 1. und 2. der Masseneinsatz von Fusionsreaktoren erst gegen Ende des 21. Jahrhunderts möglich ist und damit für eine Kohlendioxidentlastung der Atmosphäre zu spät kommt.

 

Vorteile: Neue zusätzliche Energiequelle zu regenerativer Energie, Kernspaltungsenergie und fossilen Brennstoffen Keine zeitliche Begrenzung. Selbst wenn alle Primärenergie durch Fusion geliefert und global das zweifache des heutigen Verbrauchs angenommen wird, reicht der Deuteriumgehalt der Weltmeere länger als die Brenndauer der Sonne. Auch das Tritium, das aus Lithium erbrütet wird, kann als quasi unerschöpflich gelten. Eine unkontrollierte Leistungsexkursion wie der GAU (größter anzunehmender Unfall) beim Kernspaltungsreaktor ist ausgeschlossen. Der Brennstoffinhalt des Fusionsvolumens beträgt zu jeder Betriebszeit nur wenige Gramm und jede Störung der Randbedingungen unterbricht den Fusionsprozess. Keine radioaktiv und thermisch „heißen“ abgebrannten Brennelemente wie beim Kernspaltungsreaktor. Verringertes militärisches Missbrauchspotential, weil nicht wie beim Spaltungsreaktor unvermeidlich kernwaffenfähiges Plutonium erbrütet wird.

Nachteile: Es ist eine extrem anspruchsvolle Technologie notwendig. Diese Technologie macht zentrale Großeinheiten mit riesigem Kapitalaufwand erforderlich. Aus oben genannten Gründen kommen daher als Standort nur reiche Industrienationen in Frage, die über die hierzu erforderliche Infrastruktur und das Kapital verfügen. Es fallen große Mengen radioaktiven Abfalls wegen des Austauschzwanges der durch Neutronen geschädigten Strukturmaterialien an. Es ist zu erwarten, dass es zum Aufbau eines erhöhten radioaktiven Tritiumpegels in der Atmosphäre wegen der im Normalbetrieb und bei Störungen unvermeidlichen Tritiumleckagen in einer erforderlichen großen Anzahl von Fusionsanlagen kommt. Eventuelle Engpässe bei wichtigen Strukturmaterialien wie z.B. Niob und Zinn für die supraleitenden Spulen könnten auftreten.

Literatur 1. Buch: „100 Milliarden Sonnen“ von R. Kippenhahn, Piper-Verlag, 1984 2. Broschüre: „Kernfusion, eine Herausforderung für die Menschheit“ , von Autorenkollektiv, Forschungszentrum Jülich, 1995 3. Broschüre: Kernfusion im Forschungsverbund“, von Autorenkollektiv, Forschungszentrum Jülich, 1996

 

Der Autor: Dr.-Ing. Hermann Knüfer, Jahrgang 1927, studierte zunächst "Wärme-, Kraft- und Arbeitsmaschinen" an der TH Aachen. Ab 1957 war er Angestellter des Regionalen Energieversorgers Elektromark und im Rahmen der AG Versuchsreaktor (AVR) GmbH Betriebsleiter eines 15 MW-Hochtemperatur-Kernkraftwerks; von 1976 bis 1982 leitender Angestellter der Gesellschaft für Reaktorsicherheit mbH in Köln. Mehrmals veröffentlichte er Fachtexte in der Zeitschrift "Brennstoff-Wärme-Kraft" in der Zeit von 1966-1975. Frühpensionnierung 1982. Er beschäftigte sich intensiv mit dem Problem der Klimaänderung durch Verbrennung fossiler Energieträger, hielt zahlreiche Vorträge und veröffentlichte Stellungnahmen zu diesem Thema. Er ist Betreiber einer PV-Anlage, einer Kollektoranlage und beteiligt an einer Windkraftanlage.
Seit 1988 ist Hermann Knüfer aktives Mitglied des SFV.