Kernfusion

 
Die Fusionsforschung begann mit dem Wunsch, die Energiequelle Sonne zu verstehen. In den späten 20er-Jahren kamen Atkinson und Houtermans zu der Überzeugung, die Energie der Sonne stamme von Fusionsreaktionen. 1932 entdeckten Rutherford, Walton und Cockroft die erste Fusionsreaktion im Labor. Durch Einfang eines Protons in einem Lithiumkern teilte sich dieser in zwei Heliumkerne und setzte Energie frei.


In den Vereinigten Staaten und der Sowjetunion hatte die Fusionsforschung ihre Wurzeln in der militärischen Atomforschung während und nach dem Zweiten Weltkrieg. Obwohl es zunächst unmöglich schien, ein System zu entwickeln, das insgesamt mehr Energie freisetzt, als es verbraucht, haben sich dann bald Kenntnisse aus der Astro-, Plasma- und Kernphysik in einem Ausmaß entwickelt, dass man es angehen konnte, die Kernfusion als Energiequelle nutzbar zu machen.

1951 fanden die sowjetischen Physiker Andreij Sakharov und Igor Tamm eine Möglichkeit, Plasma magnetisch einzuschließen, und entwickelten den später so genannten Tokamak. Die gesamte Fusionsforschung fand bis zur zweiten Konferenz "Atoms for Peace" in Genf 1958 unter Geheimhaltung statt. In den 60er-Jahren wurde verstärkt Grundlagenforschung betrieben. In den 70er-Jahren entwickelte sich die Fusionsforschung zur Großforschung und die internationale Zusammenarbeit nahm zu.

1978 begann das Europäische Fusionsprogramm mit dem Bau des "Joint European Torus", kurz JET, in Culham in Großbritannien. Dieser erzeugte 1983 sein erstes Plasma. 1991 wurde erstmals nennenswerte Fusionsenergie freigesetzt.

In den USA erzeugte der Tokamak 1978 Temperaturen von mehr als 60 Millionen Grad. 1993 wurden erfolgreiche Tritiumexperimente unternommen. In Japan laufen seit 1988 Experimente mit dem Tokamak.

Im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching bei München ging 1990 das Experiment ASDEX Upgrade in Betrieb, nachdem der Vorgänger ASDEX nach zehnjähriger überaus erfolgreicher Tätigkeit stillgelegt wurde. Ziel dieses Experiments war, sauberes Plasma zu erzeugen.

Kernumwandlungen

Manche Atomkernarten haben die Eigenschaft, von selbst mit einer bestimmten Halbwertszeit zu zerfallen, man nennt sie radioaktiv. Dabei wird Energie in Form von Strahlung ausgesandt. Je nachdem, welche Elementarteilchen bzw. Energiequanten dabei abgestrahlt werden, spricht man von Alpha-, Beta-, Gammastrahlen oder Positronen-, Protonen- und Neutronenstrahlen.

Bei der Kernspaltung in einem Kernreaktor nützt man die dabei frei werdende Wärme zur Energiegewinnung. Dabei werden in einer kontrollierten Kettenreaktion Uran-235-Kerne von langsamen Neutronen in jeweils zwei Kerne mittlerer Masse und zwei bis drei Neutronen gespalten.

Um die Atome eines Stoffes zusammenzuhalten, sind so genannte Bindungskräfte notwendig. Die Größe dieser Kräfte ist von der Kernladungszahl abhängig. Sie ist für sehr leichte Elemente sehr groß und nimmt zu Elementen bis zu Eisen mit der Kernladungszahl 28 ab, um dann wieder leicht zuzunehmen.

Bei der Kernspaltung kommt die frei werdende Energie dadurch zustande, dass die Bindungsenergie des ungespaltenen schweren Urankerns etwas größer ist als die Summe der Bindungsenergien der beiden leichteren Spaltkerne.

Umgekehrt wird bei der Kernfusion, das heißt bei der Verschmelzung zweier leichter Kerne zu einem schwereren Kern, ebenfalls Bindungsenergie frei. Vereinigen sich z. B. Deuterium und Tritium zu dem schwereren Helium, wird Bindungsenergie in einem viel stärkeren Ausmaß als bei der Kernspaltung frei.

Die Grundlage der Kernfusion ist der Massendefekt. Bildet man aus zwei Protonen und zwei Neutronen einen Heliumkern, so ist die Gesamtmasse des Kerns kleiner als die Summe der Einzelmassen der Protonen und Neutronen. Die Differenz der Masse wird als Energie abgestrahlt und wird durch die einsteinsche Gleichung E = mc2 beschrieben. Diese Gleichung drückt die Äquivalenz zwischen Masse und Energie aus.

Plasma

In der Sonne finden die Fusionsprozesse bei Temperaturen von 15 Millionen Grad statt. Bei solchen Temperaturen existiert der Plasmazustand. Wenn man einen Eisblock erhitzt, der den Zustand des Festkörpers darstellt, schmilzt das Eis und es wird flüssig.

Bei weiterer Erhitzung verdampft dieses Wasser und wird zu Gas. Bei weiterer Erhitzung trennt es sich in Wasserstoff und Sauerstoff. Bei noch höheren Temperaturen spaltet sich das Wasserstoffatom in Protonen und Neutronen, man nennt das Plasma, den vierten Aggregatzustand.

Kontrollierte Kernfusion

Um eine Kernfusion zu erhalten, muss man die abstoßenden elektrostatischen Kräfte zwischen den positiv geladenen Atomkernen überwinden. Wenn man die Kerne mit großer Energie gegeneinander schießen würde, wäre die Wahrscheinlichkeit einer Fusion sehr gering und diese Methode eher unwirtschaftlich. Eine Möglichkeit, diese Schwierigkeit zu umgehen, ist es, diese Fusion in einem Plasma durchzuführen.

Gegenwärtig konzentriert sich das Interesse auf Fusionsreaktionen zwischen den zwei schweren Formen von Wasserstoff: Deuterium und Tritium. Deuterium ist in großen Mengen im Meerwasser enthalten, etwa 30 g/m3. Tritium, ein instabiles radioaktives Gas mit einer Halbwertszeit von rund 12 Jahren, kommt jedoch kaum in der Natur vor und muss durch Neutronenbeschuss aus Lithium künstlich hergestellt werden.

Für die erste Reaktorengeneration wurde die Fusion von Deuterium und Tritium vorgesehen. Reaktionen mit reinem Deuterium setzen eine Temperatur von 350 Millionen Grad voraus. Sie werden in höher entwickelten Reaktoren versucht werden. Reaktionen, die Helium-3 verwenden, wären äußerst interessant, weil sie keine Neutronen freisetzen, allerdings kommt Helium-3 auf der Erde selten vor und ist in großen Mengen nur auf dem Mond vorhanden.

Die Rohstoffe für die Brennstoffe Deuterium und Lithium sind nicht radioaktiv, billig, in großen Mengen vorhanden und geographisch gleichmäßig verteilt.

Plasmaeinschluss

Während auf der Sonne die zur Fusion notwendigen hohen Temperaturen und der hohe Druck durch das Gravitationsfeld erzeugt werden und dadurch die Materie als Plasma vorliegt, müssen für zukünftige Fusionsreaktoren diese Bedingungen erst geschaffen werden. Um den Plasmazustand zu erzeugen und ihn dann weiter aufrechtzuerhalten, muss Materie in einer geeigneten Vorrichtung eingeschlossen werden. Dies lässt sich mit zwei unterschiedlichen Methoden erreichen: entweder durch magnetischen Einschluss oder durch Trägheitseinschluss.

Magnetischer Einschluss

In einem Plasma bewegen sich die Kernbausteine Protonen und Neutronen unkontrolliert in alle Richtungen und möchten sich wie Gase ausdehnen. Plasmen können durch magnetische Felder eingeschlossen werden, man spricht auch von magnetischen Flaschen. Wenn man ein magnetisches Feld um das Plasma anlegt, bewegen sich elektrisch geladene Teilchen spiralförmig entlang der magnetischen Feldlinien. Das Plasma ist senkrecht zu den Feldlinien gebunden, parallel zu ihnen ist es jedoch frei beweglich.

Ist dieses Feld zylinderförmig, würden die Teilchen an den Enden des Zylinders entweichen. Um einen völligen Einschluss zu erreichen, gibt es zwei unterschiedliche magnetische Konfigurationen.

Bei linearen Anlagen erhöht man die Feldstärke an den Enden des Zylinders, wodurch einige Teilchen an den Enden dieser magnetischen Flasche wie durch einen Spiegel reflektiert werden. Da diese Reflexion jedoch nicht vollständig gelingt, gehen einige Teilchen nach außen hin verloren. Solche "Spiegelmaschinen" werden deshalb für Kraftwerke nicht in Betracht gezogen.

Bei ringförmigen Anlagen wird das Magnetfeld zu einem Ring oder Torus geformt. Die durch Spulen außerhalb der Kammer erzeugten Feldlinien sind dabei in sich selbst geschlossen. Die Teilchen bewegen sich spiralförmig entlang dieser toroidalen Feldlinien. Dadurch erfolgt aber immer noch kein totaler Einschluss.

Die Teilchen wandern langsam nach außen und entsprechend ihrer elektrischen Ladung entweder nach oben oder unten zu den Wänden.

Es wird deshalb ein zweites Feld, das Poloidalfeld, senkrecht zum ersten überlagert. Die resultierenden Feldlinien umgeben das Plasma nun korkenzieherartig, die Teilchen sind in diesem magnetischen Feld fest eingeschlossen.

Es gibt im Wesentlichen zwei Arten von ringförmigen Einschlusssystemen, die sich in der Art der Verdrillung der Magnetfeldlinien unterscheiden.

Beim Tokamak reduziert man die Abwanderung der Teilchen, indem man mit einem Transformator einen Strom im Plasma induziert. Dieser Strom erzeugt ein weiteres Magnetfeld, das sich den ringförmigen Feldlinien im Torus überlagert. Die Teilchen folgen dann einer daraus resultierenden schraubenförmigen oder helikalen Bahn.

Stellaratoren erzeugen die verschraubten Feldlinien ausschließlich durch äußere Magnetspulen, die selbst schraubenförmig geformt sind. Es wird kein Plasmastrom benötigt.

Trägheitseinschluss

Bei der Fusion mit dem Trägheitseinschluss werden Laser- oder Teilchenstrahlen auf eine kleine Kapsel, das so genannte Pellet, von nur einigen Millimetern Durchmesser gerichtet, die eine kleine Menge von Deuterium und Tritium enthält. Durch Aufheizen der Kapseloberfläche bildet sich Plasma, das sich ausdehnt. Eine nach innen gerichtete Druckwelle presst den Brennstoff zusammen und heizt ihn dadurch auf. Das Zentrum der Brennstoffkapsel wird auf das 1 000fache komprimiert.

Die Fusion zündet bei einer Temperatur von 100 Millionen Grad. Die Fusion breitet sich schnell über den komprimierten Brennstoff aus und erzeugt ein Vielfaches der Energie, die zum Zünden aufgewandt werden musste. Da die Reaktion innerhalb von Sekundenbruchteilen stattfindet, wird der Brennstoff durch seine eigene Trägheit am "Auseinanderfliegen" gehindert.

Es gibt zwei verschiedene Bestrahlungsmethoden.

Bei der direkten Methode treffen mehrere Laser- oder Ionenstrahlen direkt und möglichst symmetrisch auf die Kapsel.

Bei der indirekten Bestrahlung ist die Kapsel von einer Metallhülle umgeben. An der Innenwand der Hülle wird die ursprüngliche Strahlung in Wärmestrahlung umgewandelt, die von der Brennstoffkapsel absorbiert wird. Damit ist eine gleichmäßigere Bestrahlung gegeben, was eine symmetrische Implosion der Kapsel bewirkt.

Formgebung und Kontrolle des Plasmas

Die Form des Plasmaquerschnitts und seine Position innerhalb der Fusionsanlage sind sehr wesentlich. Durch so genannte Positionierungsspulen kann die Form des Plasmaquerschnitts positioniert und verändert werden. Die Qualität des Plasmas wird auch durch verschiedene Verunreinigungen beeinträchtigt. Daher gilt speziell diesem Bereich großes Interesse der Plasmaforschung.

Aus den Wandelementen der Brennkammer treten verschiedene Stoffe aus. Um das Plasma möglichst rein zu halten, werden diese Wandelemente speziell beschichtet und die austretenden Verunreinigungen in eine eigene Divertorzone abgelenkt, aus der sie dann abgesaugt werden können.

Die Versorgung des Plasmas mit Brennstoff erfolgt durch Brennstoff-Gaszufuhr, Einschuss von Brennstoffatomen mit hoher Geschwindigkeit oder von gefrorenen Brennstoffkügelchen.

Plasmaheizung

Der durch Transformatoren erzeugte Plasmastrom dient gleichzeitig zur Plasmaheizung. Um Temperaturen von über 10 Millionen Grad zu erreichen, sind zusätzliche Heizungsmethoden erforderlich. Die beiden wichtigsten Methoden sind die Neutralteilchenheizung und die Hochfrequenzwellenheizung.

Neutralteilchenheizung

Ein Ionenstrahl wird außerhalb der Fusionsanlage neutralisiert, um durch das Magnetfeld in das Plasma eindringen zu können. Im Plasma werden die energiereichen neutralen Atome wieder ionisiert und im Magnetfeld gefangen. Durch Stöße mit den Kernteilchen im Plasma steigt die Plasmatemperatur.

Hochfrequenzwellenheizung

Diese Art der Heizung funktioniert ähnlich wie ein Mikrowellenherd. Von einem Sender außerhalb der Fusionsanlage werden Hochfrequenzwellen in das Plasma eingestrahlt. Die Plasmateilchen nehmen die eingestrahlte Energie auf und erwärmen sich.