Kernfusion für Anfänger

Der „International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)“ soll den „Proof of Concept“ liefern, dass kontrollierte Kernfusion zur Gewinnung von Elektrizität eingesetzt werden kann. Ist das eine Hoffnung in der gegenwärtigen Energie-Gemengelage oder pure Illusion?

Es ist bemerkenswert, dass die kontrollierte Kernfusion in den phantasievollen Szenarien zur Sicherung der deutschen Energieversorgung selten ins Spiel kommt. Vielleicht hängt es damit zusammen, dass sich im teuersten Projekt zu dem Thema, namens ITER, die Termine laufend in die Zukunft und die Kosten in die Höhe bewegen. Und vielleicht wird uns ITER eines Tages vor Augen führen, dass die vergessenen Grenzen des Möglichen auch mit beliebig viel Geld nicht zu überwinden sind.

Der Zweck des „International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)“ ist es, den „Proof of Concept“ zu liefern, dass kontrollierte Kernfusion zur Stromgewinnung eingesetzt werden kann. 

In der Kernfusion werden leichte Atomkerne, etwa die Kerne von Wasserstoff, einander ganz nahe gebracht. Dann kann die anziehende „starke Wechselwirkung“ die elektrische Abstoßung überwinden und die Kerne verschmelzen. Damit es soweit kommt, müssen die Kerne sehr vehement aufeinanderprallen, dann klappt es vielleicht. 

In jedem Gas prallen Atome permanent aufeinander, und zwar umso heftiger, je heißer das Gas ist. Heizen wir also auf, so weit es geht, und warten, was passiert. Bei etwa 10.000 Grad Celsius sind die Kollisionen so stark, dass die Elektronen von den Atomen abstreift werden – wir bekommen ein atomares Striptease. Das Ergebnis ist eine sehr heiße Suppe aus nackten Atomkernen und freien Elektronen. Diese Suppe wird „Plasma“ genannt. 

Jetzt müssen wir unsere freien Atomkerne nur noch dazu bringen, dass sie ihre gegenseitige elektrische Abstoßung überwinden und verschmelzen. Dazu muss die Temperatur noch einmal um mehr als den Faktor 10.000 erhöht werden, auf etwa 150 Millionen Grad. 

Helium, benannt nach dem Sonnengott

Wir machen uns das Leben leichter, wenn wir nicht mit alltäglichem Wasserstoff arbeiten, dessen Atomkern aus einem Proton (p) besteht, sondern mit Deuterium (D) und Tritium (T). Die haben eine höhere Wahrscheinlichkeit zu verschmelzen als zwei Protonen. Deuterium (D) und Tritium (T) tragen im Gegensatz zur landläufigen Sorte des Wasserstoffs noch ein bzw. zwei Neutronen (n) in ihrem Kern herum. 

Der Kern von D ist also 1p1n und T ist 1p2n. Wenn dann tatsächlich eine Fusion stattfindet, dann sieht das so aus: 1p1n + 1p2n → 2p2n + 1n + Energie.

Das Fusionsprodukt 2p2n ist der Atomkern des Gases Helium, das wir auch auf der Sonne finden, und n ist ein einzelnes Neutron, welches mit mörderischer Geschwindigkeit davonfliegt und den Löwenanteil der Energie E mit sich nimmt, der bei der Fusion frei wurde. Diese Energie können wir nutzen, um nach einigen Zwischenschritten elektrischen Strom zu erzeugen. Also her mit den 150 Millionen Grad und los geht’s.

Leider gibt es da aber ein Problem. Während wir ein Stück Metall auf den Tisch legen, Flüssigkeit in eine Schale gießen und Gas in eine Flasche pumpen können, müssen wir beim Plasma darauf achten, dass es nicht die Wandung seines Behälters berührt. Entweder würde es sich bei der Gelegenheit abkühlen oder der Behälter würde verdampfen – auf jeden Fall wäre das Plasma verloren.

Und wie funktioniert das auf der Sonne? Die besteht doch fast nur aus Plasma? Die Sonne hält das Plasma durch die eigene gigantische Schwerkraft zusammen. Wie sollen wir das auf der Erde machen? 

Da gibt es nun einen Trick: Magnetismus. Die Atomkerne und Elektronen, aus denen das Plasma besteht, sind ja elektrisch geladen, und sie bewegen sich sehr schnell. Elektrische Teilchen werden in magnetischen Feldern von ihrer Flugbahn abgelenkt, und zwar immer quer zur momentanen Bewegung und quer zu den Magnetlinien. Sie bewegen sich also im Kreis oder auf einer Spirale um die Magnetlinien. Atome und Elektronen können daher nur parallel zu den Magnetlinien ungestört geradeaus fliegen. Man nehme also ein Rohr, lege es längs in ein Magnetfeld, und jetzt kann das Plasma nur mühsam an die Wände des Rohres driften, während es sich in Längsrichtung frei bewegen kann. 

Wenn das Plasma allerdings an die Stirnflächen des Rohres stößt, dann hat die Magie ihr Ende. 

Ein teurer Donut

Kluge Forscher aus Russland haben nun so ein Rohr zu einem Ring gebogen und die offenen Enden zusammengeschweißt. Das sah dann so aus wie ein „Donut“, in dessen Inneren statt Marmelade ein Magnetfeld zu finden ist. Sie gaben dem Gebilde den Namen Tokamak, wobei die Silbe To für „Torus“ steht, dem lateinischen Wort für Donut.

In solch einen Tokamak also füllt man etwas Gas, legt ein Magnetfeld an, heizt das Ganze auf 150 Millionen Grad und wartet auf die Kernfusion. Seit sechs Jahrzehnten wurden bisher in verschiedenen Ländern Dutzende solcher Maschinen gebaut. „Und“, werden Sie jetzt fragen „hat man tatsächlich Kernfusion bekommen? Hat es geklappt?“

Im Prinzip ja, allerdings hat man immer weniger Energie herausbekommen, als man zum Heizen des Plasmas reingesteckt hat. Dieses Verhältnis, der Q-Faktor, war immer kleiner als eins. Dennoch hat man die Hoffnung nicht aufgegeben. Man hat gelernt, dass die Chancen umso besser sind, je größer man das Ding macht.

Und so entschloss man sich zum Bau von ITER, dem Jumbo aller Tokamaks, der hoffentlich kein Weißer Elefant wird. Der Durchmesser seines Torus beträgt gut 12 Meter. Wenn Sie sich nun diesen „Donut“ als Adventskranz vorstellen, um den ein Band spiralförmig gewunden ist, dann bekommen Sie eine Vorstellung von den Magnetspulen, welche dort zum Einsatz kommen.

Verdammt kalt

Allerdings sind die nicht aus rotem Chiffon und auch nicht aus Kupfer, sondern aus einer chemischen Verbindung der Metalle Niob und Zinn (Nb3Sn). Zu recht fragen Sie vielleicht, warum so kompliziert? Das Metall Kupfer hat doch auch einen recht niedrigen elektrischen Widerstand! Das mag schon sein, aber Nb3Sn hat gar keinen. Es ist ein „Supraleiter“. Da fließt der Strom, einmal angeschubst, von selbst immer weiter. 

Allerdings hat das seinen Preis. Alle Supraleiter und Supraleiterinnen müssen auf sehr niedriger Temperatur gehalten werden, in diesem Fall sind es vier Grad über null; allerdings über absolut null, das sind auch minus 269 Grad Celsius. Viele Tonnen Material in dieser Saukälte zu halten, ist eine extreme Herausforderung für die Ingenieure, und es ist nur einer der vielen technologischen Superlative und Weltrekorde, wie sie beim Bau des ITER realisiert werden müssen.

Gemessen an Größe, Gewicht und Komplexität ist die Konstruktion dieser Maschine wohl eines der kompliziertesten Projekte, auf das sich die Menschheit je eingelassen hat, und auch eines der teuersten: Die Angaben für die Kosten bewegen sich zwischen 18 und 65 Milliarden Dollar. Wird es sein Ziel erreichen? Und wenn ja, wann?

2008 starteten die Erdbewegungen für den Bau in Südfrankreich. Der Bau der Maschine sollte 10 Jahre dauern, und es war geplant, das „Erste Plasma“ im Jahr 2020 zu erzeugen. Dieser Meilenstein würde den Nachweis bringen, dass der ITER-Torus tatsächlich Plasma beherbergen kann, dass sich Magnetfelder, Vakuum, Ströme etc. tatsächlich so verhalten wie berechnet. Man ist an diesem Punkt aber noch meilenweit von einer ersten Fusion entfernt, bei der tausendmal höhere Temperaturen herrschen müssen. 

400 Sekunden

Diese erste Fusion war für ursprünglich für 2023 geplant. Der jüngste Fahrplan sieht jedoch vor, dass das erste Plasma im Jahr 2025 erreicht wird und die erste vollständige Fusion 2035. Die Meilensteine verschieben sich offensichtlich mit großen Schritten in die Zukunft, was bei der enormen Komplexität der Maschine nicht überrascht. Da sind Überraschungen unvermeidlich, und meist sind sie unangenehm.

Immerhin, wenn die Fusion 2035 klappt, haben wir dann also die Maschine, die uns unendliche Mengen sauberen Stroms liefert? Jetzt müssen wir die Katze aus dem Sack lassen: Die Antwort ist Nein. Das erklärte Ziel von ITER ist die Erzeugung eines Deuterium-Tritium-Plasmas, in dem 400 Sekunden lang eine Fusionsleistung von 400 Megawatt erzeugt wird, wobei zur Heizung des Plasmas maximal 40 Megawatt eingespeist werden. Wenn das erreicht ist, dann hat ITER seine Schuldigkeit getan. 

Die Erfahrungen mit ITER sollen dann in eine Maschine Namens „DEMO“ fließen, welche die Fusionsleistung in mindestens 500 Megawatt Elektrizität umformen soll – und das vermutlich für einen Zeitraum von mehr als 400 Sekunden. Aber auch DEMO ist nur für die Demonstration und noch nicht für die routinemäßigen Einspeisung ins Netz gedacht. 

Wird uns ITER – das ist auch das lateinische Wort für „der Weg“ – also den Weg zur störungsfreien Stromversorgung aus Kernfusion ebnen? Oder ist ITER ein Irrweg? Fragen Sie dazu Nostradamus. In einer Vorlesung über Plasmaphysik hörte ich vor mehr als 50 Jahren den Professor Ewald Fünfer, Gründungsmitglied des Max-Planck-Instituts in Garching bei München, die berühmten Worte sagen: „Das wird noch 30 Jahre dauern“. Inzwischen hat sich der Zusatz eingebürgert: „… und es wird immer so sein.“

 

Dieser Artikel erschien zuerst im Blog des Autors Think-Again. Sein Bestseller „Grün und Dumm“ ist bei Amazon erhältlich.

Foto: Pixabay

Sie lesen gern Achgut.com?
Zeigen Sie Ihre Wertschätzung!

via Paypal via Direktüberweisung
Leserpost

netiquette:

Frank Box / 13.04.2022

Ein sehr schöner, lesenswerter Artikel! - Hinzufügen möchte ich noch, das soetwas wie die Kernfusion nur funktioniert, weil Energie und Materie zwei versschiedene Ausprägungen ein und desselben sind! Das aus der Verschmelzung von Wasserstoffatomen erzeugte Helium weist eine etwas geringe Masse auf, als die einzelnen Wasserstoffatome vor der Fusion hatten. Diese Masse wird durch die Verschmelzung in Energie umgewandelt. - Dann muss man nochmal hervorheben, dass bei ALLEN bisherigen Fusionsversuchen IMMER mehr Energie aufgewendet wurde, als man Ende herausbekam, die Energieausbeute also IMMER negativ war! - Und jetzt haben wir noch nicht von den HORRENDEN Kosten dieser Fusionsversuche gesprochen! - Fazit: Und auch wenn in den nächsten Jahrzehnten die Energieausbeute igendwann mal positiv werden sollte - die Kosten werden IMMER höher sein, als der Gewinn. Ein Fass ohne Boden…

Thpmas Doerfler / 13.04.2022

Ja, die sogenannte Fusions-Konstante. Wann wir die kernfusion Strom liefern? Die Antwort lautet immer “In 50 Jahren.” Vielleicht sollte man sich halt doch kurzfristig auf den EPR2 konzentrieren, und mittelfristig auf den Malten-Salt-Reactor.

Uwe Schäfer / 13.04.2022

Leider muss ich sagen, dass ich in letzter Zeit wesentlich bessere allgemeinverständliche Artikel zum Thema gelesen habe, die sich über diesem mit “Sendung mit der Maus” Niveau befanden. Die Lage wurde dort zwar als kompliziert aber auch hoffnungsvoll dargestellt. Leider wird es sowieso nichts davon in Deutschland geben, da sich die regierenden Steinzeitideologen in Berlin gegen alles Fortschrittliche stellen.

E. Sommer / 13.04.2022

Fusion ist ein langfristiges Projekt; schön es es irgendwann funktioniert, aber man sollte nicht damit rechnen. Trotzdem ist es den Aufwand wert. Bis dahin aber ist der einzig richtige Weg, Kernkraftwerke der vierten Generation zu entwickeln, zur produktionsreife zubringen, zu bauen und ans Energienetz anzuschließen. Dazu muss man aber die roten gründoofen Weltverbesserer aus den Parlamenten jagen, damit sie die Jugend nicht mehr indoktrinieren können und damit der Wunsch, sich überall festzukleben, gar nicht entsteht. Windkraft und Sonne sind Konzepte der Vergangenheit, die eine Grundlastfähigkeit nie bringen können, auch wenn sie 200.000 Windräder aufstellen bzw. das ganze Land mit Photovoltaikplatten zu kleistern. Grundlage jeder prosperierenden Wirtschaft ist billige Energie. Wer diese künstlich verteuert möchte die Gesellschaft schädigen, egal welche “Argumente” er vorschiebt.

Rafael Rasenberger / 13.04.2022

Je größer es ist, desto besser funktioniert´s… ja, spätestens, wenn das Experiment so groß ist wie die Sonne, läuft´s ganz automatisch LOL Ehrlich gesagt weiß ich nicht, ob wir nicht generell mit Magnetismus auf dem Holzweg sind, was nachher den Q-Wert angeht. Ich bin generell ein Fan von Durchreagieren statt Kontollieren… vielleicht ist es besser, in Serie winzige Mengen schlagartig zu erhitzen und dann einfach “knallen zu lassen”. Das erzeugt natürlich jede Menge Müll und unerwünschte Strahlung… und wenn Sie mich fragen, wie das gehen soll: Keine Ahnung, ich schraub´ nur an Autos ´rum ;-) Generell aber tut´s mir um das viele Geld leid, das anderswo sicher besser aufgehoben wäre - Stichwort Flüssigsalz. Da läuft nämlich auch noch längst nicht alles nach Plan…

Ilona Grimm / 13.04.2022

Weckt mich auf, wenn es soweit ist.

Joachim Krone / 13.04.2022

Solange die Herren Top-Physiker von “Wärmetauscher” und “Turbine” sprechen, erscheint mir die grundlegende Problematik bei der Fusion und der damit verbundenen Stromerzeugung noch nicht so ganz geistig durchdrungen. Wir leben doch nicht mehr im Zeitalter von James Watt! So meinte es übrigens auch Einstein, als er von der Thermodynamik als einem wunderbar abstrakten Konzept sprach.

Thomas Brox / 13.04.2022

Kontrollierte Kernfusion als praxistaugliche Energiequelle wird nie funktionieren. Der Artikel zeigt die Probleme der Fusion mit magnetischem Einschluss auf. Viel zu kompliziert, zu instabil, zu gefährlich. Die hohe Energiedichte ist nicht ausreichend zu kontrollieren. Soviel ich weiß kann es auch gefährlich werden, wenn die Supraleitung in den riesigen Magneten verloren geht (z.B. wenn die Kühlung nicht ausreicht), und zwar aufgrund der starken elektrischen Ströme. Außer der Technik mit magnetischen Einschluss (ITER) gibt es noch die durch Laser-Beschuss erzeugte Trägheitsfusion. Das ist aber auch nicht praktikabel. ++ Bereits in den 1960-er Jahren habe ich als Halbwüchsiger in einem Kosmos Heft meines Opas gelesen, dass Kernfusionsreaktoren bald in Betrieb gehen werden. 

Udo Kemmerling / 13.04.2022

Sorgen macht mir in der Reaktionsgleichung “1p1n + 1p2n → 2p2n + 1n + Energie” das 1n. Dieses emittierte Neutron trägt nicht nur viel Energie davon, sondern hat die unangenehme Tendenz, mit dem nächstbesten Atomkorn zu verschmelzen und ein Radionuklid zu bilden. Ergo bildet sich im Umfeld des Fusionsprozesses jede Menge Atommüll. Von der Strahlungsversprödung des Torus ganz zu schweigen. Reine Deuteriumfusion hilft bei dem Problem auch nicht weiter, von der höheren Anregungsenergie noch gar nicht geredet. ++ Was ist mit Normaltemperatur-Supraleitern? Zu teuer? ++ Insgesamt, um das Ganze zusammenzufassen, sehe ich ein paar Probleme, im Herbst diesen Jahres (oder auch 2037) unsere Energieprobleme zu lösen, wenn russisches Gas ausbleibt. Immerhin könnten wir den Betriebsstoff selbst herstellen, und müßten iohn nicht importieren. Elekrolyseanlagen sollten ja im Zuge des überflüssigen Wasserstoffwahns bald im Überfluß zur Verfügung stehen, und der Vorgang bei D2O ist zum Glück derselbe. ++ Ja, irgendwann wird es kommerzielle Fusionsreaktoren geben, nur nicht in Deutschland. Ganz wie bei Thorium oder allem anderen, was mit Strahlung korreliert, politisch nicht gewollt. Das man noch zum MRT darf, wundert mich langsam (und ja, ich weis, das beim MRT keine Strahlung verwendet wird! Die völlige Abwesenheit einer Klimakrise hindert schließlich auch nicht diejenigen, die es so wollen, sich auf die Autonahn zu kleben!)

Weitere anzeigen Leserbrief schreiben:

Leserbrief schreiben

Leserbriefe können nur am Erscheinungstag des Artikel eingereicht werden. Die Zahl der veröffentlichten Leserzuschriften ist auf 50 pro Artikel begrenzt. An Wochenenden kann es zu Verzögerungen beim Erscheinen von Leserbriefen kommen. Wir bitten um Ihr Verständnis.

Verwandte Themen
Hans Hofmann-Reinecke, Gastautor / 10.12.2022 / 08:00 / 69

Deutschland im Asch-Test

In den 1950er Jahren erfand der polnisch-amerikanische Psychologe Solomon Asch einen Test, der offenbarte, dass Versuchspersonen ihre eigene Wahrnehmung verwerfen, wenn der Rest der Gruppe…/ mehr

Hans Hofmann-Reinecke, Gastautor / 01.12.2022 / 16:00 / 30

Weltmeister der Diplomatie?

Wenn jemandem Respekt entgegengebracht wird und er zeigt, dass er diesen Respekt nicht verdient hat, so bezeichnen wir sein Verhalten als peinlich. In dieser Disziplin…/ mehr

Hans Hofmann-Reinecke, Gastautor / 24.11.2022 / 10:00 / 48

First Light Fusion – ein Licht am Ende des Tunnels?

Hier und dort arbeiten neugegründete Firmen am Bau von Fusions­kraftwerken unterschiedlichen Typs. Sie werden großzügig finanziert, und zwar nicht nur durch die öffentliche Hand, sondern von privaten…/ mehr

Hans Hofmann-Reinecke, Gastautor / 11.11.2022 / 14:00 / 27

Die Gefahr einer drohenden Chip-Krise

Bei lebenswichtigen Ressourcen darf die Wirtschaftspolitik das Land nicht in die Abhängigkeit von einem einzigen Lieferanten manövrieren. Eine Reihe mutwilliger oder dilettantischer Fehlentscheidungen hat uns…/ mehr

Hans Hofmann-Reinecke, Gastautor / 24.10.2022 / 14:00 / 22

Wie baut man eine Atombombe?

Könnte ein Land versuchen aus dem nuklearen Brennstoff seiner Kernkraftwerke Bomben zu bauen? Aber wer sollte heute auf eine solch mörderische Idee kommen! Nun, vielleicht…/ mehr

Hans Hofmann-Reinecke, Gastautor / 14.10.2022 / 12:00 / 28

Energiewende auf Japanisch

Seit einem Jahrzehnt begeht die Kernenergie in Deutschland einen langsamen, qualvollen Selbstmord, der im Geschachere um den Weiterbetrieb von zwei oder drei Reaktoren für die…/ mehr

Hans Hofmann-Reinecke, Gastautor / 06.10.2022 / 10:00 / 27

„Vor allem nicht schaden“ – ärztliches Credo auch für Politiker?

Vor allem nicht schaden: Diesem Grundsatz sind alle Mediziner verpflichtet. Wäre das nicht auch ein passendes Prinzip für Politiker? Wenn wir die deutsche Politik aus…/ mehr

Hans Hofmann-Reinecke, Gastautor / 04.10.2022 / 16:00 / 17

Die Lüge fährt abwärts

Neulich diskutierten der kanadische Psychologe Jordan Peterson und der englische Journalist Piers Morgan auf dem Fernseh-Kanal „Talk TV“ über die Ukraine, und dass Putin eines…/ mehr

Unsere Liste der Guten

Ob als Klimaleugner, Klugscheißer oder Betonköpfe tituliert, die Autoren der Achse des Guten lassen sich nicht darin beirren, mit unabhängigem Denken dem Mainstream der Angepassten etwas entgegenzusetzen. Wer macht mit? Hier
Autoren

Unerhört!

Warum senken so viele Menschen die Stimme, wenn sie ihre Meinung sagen? Wo darf in unserer bunten Republik noch bunt gedacht werden? Hier
Achgut.com