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Das musst du wissen
- Statt drei Prozent setzte ein Kernfusionsexperiment erstmals siebzig Prozent der Energie frei, die hineingesteckt wurde.
- Laut Experten ist es jedoch kaum vorstellbar, dass diese Form der Trägheitsfusion kontinuierlich Strom erzeugen könnte.
- Vielversprechender für die Stromproduktion sind Magnetfusionen, wie beispielsweise mit dem Tokamak-Reaktor Iter.
Warum es wichtig ist. Bei der Kernspaltung werden Atome mit schweren Elementen gespalten, um Wärme und anschliessend Elektrizität zu gewinnen. Anders bei der Kernfusion: Hier werden leichte Atome zusammengeführt, um noch mehr Energie zu gewinnen. Da diese leichten Elemente im Überfluss vorhanden sind und es keine langlebigen radioaktiven Abfälle gibt, verspricht die Kernfusion saubere, billige und praktisch unbegrenzte Energie. Der Haken dabei: Die Erzeugung dieser Fusion erfordert derzeit wesentlich mehr Energie als sie produziert.
Schwellenwert für die Zündung. Der grosse Fortschritt des amerikanischen Experiments der National Ignition Facility des Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien ist die Annäherung an die Zündschwelle. Diese wird erreicht, wenn die Energiemenge, die durch die Fusion erzielt wurde, der Energiemenge entspricht, die zur Erzeugung der Fusion verwendet wurde. Ein entscheidender Schritt in Richtung Kernfusion.
In dieser Hinsicht haben die amerikanischen Forscher den 1997 in England erzielten Rekord der anderen grossen Fusionstechnologie, des Tokamak-Reaktors, erreicht.
Fusion, eine Anleitung. Bei der Kernfusion werden leichte Kerne, in diesem Fall die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium, so stark angenähert, dass sie die physikalische Reaktion reproduzieren, die im Herzen der Sonne abläuft.
Um die elektrostatische Abstossung zwischen diesen Kernen zu überwinden, muss das Material auf hundert Millionen Grad Celsius erhitzt werden. Das Material ändert dann seinen Zustand und bildet ein Plasma, in dem die Atome fusionieren und sich in Helium umwandeln.
Bei diesem Phänomen wird beträchtliche Energie in Form von überzähligen Neutronen freigesetzt, die gegen die Wände des Reaktors geschleudert werden. Dort wird ihre Wärme durch eine Wärmeträgerflüssigkeit zurückgewonnen, um über eine Turbine Strom zu erzeugen.
Die zwei Fusionen. Amerikanische Forscher versuchen, die Fusion mit Lasern zu erreichen, während das internationale Grossprojekt Iter die Fusion mit einem Tokamak-Reaktor auf der Grundlage des sogenannten magnetischen Einschlusses demonstrieren soll. Die beiden wichtigsten Möglichkeiten, um diesen energieerzeugenden Plasmazustand zu erreichen sind:
- die Trägheitsfusion, bei der Laser eingesetzt werden, wie beim amerikanischen Experiment
- die magnetische Fusion, bei der elektromagnetische Magnete in einem ringförmigen Reaktor, dem Tokamak, verwendet werden, wie dies auf dem Campus der ETH Lausanne (EPFL) oder im internationalen Iter-Projekt der Fall ist.
Die Erklärungen eines Experten. Yves Martin, Physiker am Swiss Plasma Center, erläutert:
«Die Leistung einer Fusionsanlage wird von drei Parametern bestimmt: Dichte, Temperatur und Zeit des Plasmaeinschlusses. Es ist nicht möglich, mit dem Temperaturfaktor zu spielen, da die hundert Millionen Grad erreicht werden müssen. Was bleibt, sind die Dichte und die Einschliessungszeit.»
Im Vergleich:
- Bei der Magnetfusion braucht es eine lange Zeit, aber eine geringere Dichte.
- Bei der Trägheitsfusion werden sehr kurze Zeiten, aber sehr hohe Dichten benötigt.
Der Mechanismus. Bei der Trägheitsfusion werden Laserstrahlen eingesetzt, um einem sehr kleinen Pellet aus Deuterium und Tritium, das sich in einer Goldkapsel befindet, ausreichend Energie zuzuführen.
Indem sie durch kleine Öffnungen die Innenseite der Kapsel erreichen, erhitzen die Laser das Metall. Das Metall wiederum sendet Röntgenstrahlen aus, die die Kapsel auf eine ausreichende Temperatur und Dichte komprimieren, um die Fusionsreaktion auszulösen.
Bei dem Experiment der National Ignition Facility (NIF) nutzten die Forschenden 192 Laser. Sie verwendeten Laser mit einer Gesamtenergie von 1,9 Megajoule, um 1,3 Megajoule thermonukleare Energie zu erzeugen. Der Wirkungsgrad beträgt demnach 0,7 – was sehr nahe an eins liegt, dem Gleichgewichtspunkt der Zündschwelle. Es handelt sich also um einen Konzeptnachweis, dass eine Zündung mit Trägheitsfusion erreichbar ist.
Die Grenzen. Die Erzeugung von Strom mit dieser Methode ist jedoch aus mehreren Gründen sehr schwierig. Um Strom zu erzeugen, reicht es nicht aus, wenn der Wirkungsgrad nahe bei eins liegt, sondern er muss mindestens zehnmal höher sein. Der Physiker Yves Martin sagt:
«Dies ist umso wichtiger, als die angegebenen Zahlen zum Wirkungsgrad auf der Energie beruhen, die vom Plasma selbst aufgenommenen und erzeugt wird. Mit anderen Worten: Sie berücksichtigen nicht die Zufuhr der Laser. Und das ist noch nicht alles, denn auch bei der Umwandlung der Wärme in Strom gibt es Verluste. Die Gesamtbilanz ist also viel niedriger.»
Um kontinuierlich Strom zu erzeugen, müsste man diese Trägheitsfusion, die wie eine Explosion funktioniert, reproduzieren. Das NIF-Experiment dauerte jedoch nur hundert Billionstel einer Sekunde. Auch die folgenden Reaktionen sind sehr kurz: Um Strom zu erzeugen, müsste man das Experiment etwa zehn Mal pro Sekunde und 24 Stunden am Tag wiederholen. Derzeit liegt die Rate jedoch eher bei einem Experiment pro Tag.
Yves Martin meint:
«Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Positionierung der Kapsel extreme Präzision erfordert, damit die Laser das Tritium-Deuterium-Pellet sehr gleichmässig aufheizen und gleichzeitig die Kapsel auf Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt (zu Beginn des Experiments, Anm. d. Red.) halten. Es ist schwer vorstellbar, wie die Trägheitsfusion kontinuierlich Strom erzeugen könnte.»
Aus diesem Grund wird die Trägheitsfusion vor allem für militärische Experimente weiterentwickelt, und zwar für die Simulation thermonuklearer Explosionen als Ersatz für Atombombentests.
Tokamaks. Durch den Einschluss des Plasmas in einem Magnetfeld ermöglicht die Tokamak-Forschung die Erzeugung von Plasmen mit sehr viel längerer Dauer. Noch ist sie nur wenige Sekunden lang, aber das Ziel von Iter und dann Demo, der ab 2040 geplanten kommerziellen Maschine, besteht gerade darin, die Dauer des Plasmas auf mehrere Stunden zu erhöhen oder gar Kontinuität zu erreichen.
Sequenzen von Entladungen in diesem Plasma würden also wiederholt Fusionsreaktionen hervorrufen. Die Reaktorwände würden im eingeschalteten und ausgeschalteten Modus beheizt, um aufgrund der Trägheit der Wärme in den Reaktorwänden ausreichende Temperaturen zur Stromerzeugung aufrechtzuerhalten.
Ausserdem besitzen Tokamak-Plasmaheizsystemen einen viel höheren Wirkungsgrad als Laser, die bei der Trägheitsfusion eingesetzt werden. Dies bedeutet auch: die Magnetfusion könnte die Bedingungen eher erfüllen, die für die Erzeugung von Strom wirtschaftlich interessant sind.