Document ID: /fineweb-2-swissfilter-quality_10-filterrobots/filtered/03642.jsonl.gz/3013

Das Sonnenfeuer im Reaktor
Vereinfacht ausgedrückt, soll in diesem Reaktor die gleiche Energiequelle angezapft werden, wie sie unsere Sonne und mässig grosse Sterne im Universum «zu ihrem Betrieb» verwenden. Dabei wird das leichteste Element Wasserstoff zu Helium verschmolzen, was nach der Einsteinschen Formel E = mc2 sehr grosse Energiemengen freisetzt.
ITER wird als gemeinsames Forschungsprojekt der sieben gleichberechtigten Partner EU, USA, China, Südkorea, Japan, Russland und Indien entwickelt, gebaut und betrieben. Die USA waren von 1998 bis 2003 vorübergehend aus dem Projekt ausgestiegen, Kanada ist seit 2004 nicht mehr dabei.
Zehnmal heisser als das Innere der Sonne
Unsere Sonne «verbrennt» im Innern, unter einem riesigen Druck und mit einer Temperatur von 15 Millionen Grad Celsius, Wasserstoff zu Helium. Im ITER-Reaktor wird kein grosser Druck herrschen, da in das viele Kubikmeter grosse, gut evakuierte Reaktionsgefäss nur einige Gramm eines Deuterium-Tritium-Gasgemischs (1 : 1) eingelassen werden. Diese Teilchendichte entspricht einem Fein- bis Hochvakuum.
Das Gas wird durch Aufheizen in den Plasmazustand gebracht, weiter erhitzt und übt nach Erreichen der Zieltemperatur von rund 15 Millionen Grad einen Druck von einigen Bar aus. Die Temperatur von 15 Millionen Grad Celsius ist notwendig, um so starke Kollisionen der Wasserstoffatome zu erzeugen, damit ein Kernverschmelzungsprozess möglich wird.
Bei so hohen Temperaturen ist die Materie in Form von Plasma vorhanden, das heisst, die Elektronen sind nicht mehr an die Atome gebunden — es ist nur noch ein Gemisch aus neutralen und geladenen Teilchen vorhanden. Da es kein Material auf unserem Planeten gibt, das nur ansatzweise dieser Temperatur standhält, wird das Plasma mit extrem starken Magnetfeldern gehalten.
Um diese erzeugen zu können, werden die Magnete auf —269 Grad Celsius oder 4 Grad Kelvin abgekühlt. Dazu wird flüssiges Helium direkt in die Magnete gepumpt (Helium wird flüssig bei —268,5 Grad Celsius). Bei diesen Temperaturen verlieren die Niob-Zinn- und Niob-Titan-Supraleiter den elektrischen Widerstand, und es wird möglich, sehr viel Strom hindurchzuleiten und äusserst starke Magnetfelder (bis 10 Tesla) zu produzieren.
Dabei werden für die Kernfusion die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium und nicht normaler Wasserstoff verwendet. Deuterium hat ein zusätzliches Neutron, Tritium hat zwei davon. Wenn die beiden Atome fusionieren, fliegt ein überschüssiges Neutron davon, und es bleibt Helium zurück. Generaldirektor Bernard Bigot sieht zuversichtlich in die Zukunft. Verläuft alles nach Plan, soll 2025 erstes Wasserstoff-Plasma und 2035 erstes Deuterium-Tritium-Plasma produziert werden.
Schliesslich soll ITER zehnmal mehr Energie erzeugen als zum Aufheizen des Gases benötigt wird. Damit wäre schliesslich nachgewiesen, dass Fusionsenergieerzeugung wirklich möglich ist. In einer nächsten Stufe soll ein Nachfolgeprojekt namens DEMO Strom ins Netz einspeisen und einen geschlossenen Tritium-Kreislauf demonstrieren.
Vorteile der Kernfusion
Das Ziel, die Kernfusion zu erreichen, ist verlockend. Man hätte praktisch unbegrenzte Mengen von Strom zur Verfügung. Bei der Kernfusion wird bei einem einzigen Gramm Wasserstoff etwa die gleiche Menge Energie freigesetzt wie bei der Verbrennung von acht Tonnen Erdöl oder elf Tonnen Kohle. Dabei entstehen keine klimaschädlichen CO2-Emissionen und das Risiko einer Kernschmelze wie in Atomkraftwerken fällt gänzlich weg. Überhaupt ist die Kernfusion sauberer und sicherer als die Kernspaltung. Ein Unfall wie im japanischen Fukushima mit dem Austreten von radioaktiven Stoffen, die für menschliche Massstäbe eine Ewigkeit lang strahlen, ist nicht möglich. Bricht zum Beispiel das Magnetfeld im Fusionsreaktor zusammen, bricht die Fusion ab ohne gravierende Folgen.
Sollte aus irgendeinem Grund radioaktives Material aus dem Fusionsreaktor entweichen können, wäre dies lediglich eine geringe Menge von Tritium, das eine kurze Halbwertszeit von 12,3 Jahren hat. In Kernreaktoren, die mit Uran-Kernbrennstoff betrieben werden, entsteht Plutonium, hauptsächlich aus dem schweren Isotop Uran 238. Plutonium ist hoch giftig und hat eine Halbwertszeit von 24 100 Jahren.
Mögliche Pannen
Beim Bau des ITER-Reaktors ist das Risikomanagement in die gesamte Planung von Anfang an mit eingeflossen. Dabei geht es um zwei wichtige Faktoren: Die Sicherheit für die Mitarbeiter und die Aussenwelt zu gewährleisten und die Anlage selbst zu schützen und zu erhalten, die sehr viel Geld gekostet hat. Da ITER in Frankreich als nukleare Einrichtung eingestuft wird, unterliegt die Anlage strengen Sicherheitsauflagen. So ist die gesamte Anlage in hermetisch abschottbare Segmente aufgeteilt, welche die Ausbreitung eines Brandes oder schädlicher Substanzen / Strahlung komplett unterbinden. Zudem ist die Menge des brennbaren Materials in den einzelnen Sektoren auf das Minimum reduziert. Der grösste Anteil des Baumaterials besteht aus Stahl und Beton. Zusätzlich gibt es spezielle Brandschutzmassnahmen an den Übergängen zwischen den Sektoren und auch in den Belüftungs- und Kabelsystemen. Ebenso ist für folgendes Szenario ein Sicherheitssystem gebaut worden.
Wenn im Vollbetrieb durch eine Störung die Supraleiter zu stark erwärmt werden und schlagartig keine Supraleiter mehr sind, würden sie eigentlich überhitzen. Damit es nicht dazu kommt, setzt in einem solchen Fall sofort eine Schnellentladung ein, wenn es eine Störung bei den Supraleitern gibt. Dadurch wird die hohe Energie, die in den Magneten vorhanden ist, sofort abgeleitet. Gleichzeitig gibt es sogenannte «Quench Tanks», in die das Helium abgeführt wird, das bei der Erwärmung wieder gasförmig wird und sich ausdehnt.
Sollten die Magnetfelder unkontrolliert ausfallen, die das Plasma halten, würde die Fusionsreaktion aufhören, das Plasma würde abkühlen und in sich zusammenfallen. Im schlimmsten Fall könnte es durch Hitze und Strom zu lokalen Beschädigungen in den Wandplatten innerhalb der Vakuumkammer kommen. In diesem Falle würde bei ITER durch Fernbedienung ein Periskop-ähnliches Instrument in die Vakuumkammer eingeführt, um mittels Laser und dessen Reflexionen Messungen und Beobachtungen durchzuführen und – wenn notwendig – den Schaden lokal zu reparieren.
Kritik am Fusionsreaktor
Trotzdem gibt es auch kritische Stimmen. Einige sehen ITER als Milliarden-Grab, da die ursprünglich geschätzten Kosten von 5 Mia. Euro auf schätzungsweise 20 bis 22 Mia. Euro gestiegen sind. Ausserdem bemängeln sie, dass die Fusionsenergie zu spät komme, weil die Treibhausgasemissionen im Kampf gegen den Klimawandel vorher deutlich sinken müssten. Generaldirektor Bigot vertritt jedoch den gegenteiligen Standpunkt. Er erwähnt zwar, dass vor der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts keine massive Stromproduktion mit Fusionskraftwerken denkbar sei. Trotzdem glaubt er, dass die Menschheit bis dahin noch keine Lösung für das Energieproblem gefunden haben werde, da die erneuerbaren Energien in einer Welt mit mehr als 8 Mia. Menschen allein den Energieverbrauch der Menschheit nicht decken können. Bigot gibt zu, dass ITER letztlich ein Forschungsprojekt mit offenen Fragen ist. Allerdings ist er davon überzeugt, dass die Kernfusion klappt, denn bisherige Forschungsreaktoren haben dies bewiesen.
So wird ITER — «der Weg» — ein langer sein, um das Feuer der Sonne kontrolliert in einem Reaktor brennen zu lassen, denn der Prozess dazu ist technisch extrem anspruchsvoll.
iter.org
Kernfusion: Tokamak und Stellarator
Tokamak bezeichnet den Typ eines Fusionsreaktors, der auf dem Konzept der Fusion mittels magnetischen Einschlusses beruht. Dabei wird ein Plasma aus Wasserstoff-Isotopen in einem Torus von sehr starken Magnetfeldern eingeschlossen und auf rund 10 bis 15 Millionen Grad Celsius erhitzt. In einem Tokamak-Reaktor soll mittels Kernfusion Energie erzeugt werden. Dabei wird das Magnetfeld teilweise von einem im Plasma fliessenden Strom erzeugt. Die zurzeit leistungsfähigsten Anlagen zur Untersuchung der Fusion basieren auf dem Tokamak-Prinzip. Dazu gehört auch der ITER-Reaktor in Cadarache. Das Tokamak-Konzept wurde bereits 1952 von den sowjetischen Physikern Andrei Sacharow und Igor Tamm am Kurtschatow-Institut in Moskau entwickelt. Schon in den 1950er Jahren wurden die ersten Tokamak-Experimente in der Sowjetunion durchgeführt.
Auch mit einem Stellarator soll durch Kernfusion Energie gewonnen werden. Der Name dieses Fusionskonzeptes soll an die Kernfusion als Energiequelle der Sterne erinnern (Stella heisst auf Lateinisch Stern). In diesem Reaktor fliesst jedoch kein Strom durch das Plasma selbst. Das einschliessende Magnetfeld wird durch komplex verwundende Spulen erzeugt. Die Fusionsanlage «Wendelstein 7-X» in Greifswald, die vom Max-Planck-Institut betrieben wird, ist ein Stellarator.
Welches Reaktorkonzept sich bei einem zukünftig eventuell realisierbaren Fusionsleistungsreaktor durchsetzen wird, ist zurzeit noch nicht abzusehen.
Kernfusion mit Wasserstoffund Massendefekt
Sterne produzieren ihre Energie durch das sogenannte Wasserstoffbrennen. Dabei wird das leichteste Element Wasserstoff zu Helium verschmolzen. Normale Sterne beziehen ihre Energie durch diese stellare Wasserstoff-Fusion während der meisten Zeit ihres Lebenszyklus. Alle Sterne der Hauptreihe beziehen ihre Energie aus der Fusion von Wasserstoff zu Helium und sind während dieser Phase stabil.
Unsere Sonne ist astronomisch gesehen ein gelber Zwerg. Sie ist ein durchschnittlich grosser Stern und ebenfalls ein Hauptreihenstern. Sie enthält 99,86 % der gesamten Masse unseres Sonnensystems und hat einen Durchmesser von 1,4 Millionen Kilometern, was dem 109-fachen Durchmesser der Erde entspricht.
In unserer Sonne werden jede Sekunde etwa 564 Mio. Tonnen Wasserstoff zu 560 Mio. Tonnen Helium verschmolzen. Die 4 Mio. Tonnen Differenz werden in der Physik «Massendefekt» (auch Massenverlust) genannt. Im Falle der Sonne werden also pro Sekunde 4 Mio. Tonnen Masse in reine Energie umgewandelt. Der Massendefekt bei der Fusion von Wasserstoff zu Helium ist der grösste aller Fusionsreaktionen und somit bezüglich der Energie am ergiebigsten. Zudem ist die Coulomb-Barriere, die für die Vereinigung der Kerne überwunden werden muss, relativ niedrig. Deshalb kommt die Fusion von Wasserstoff zu Helium am ehesten in Frage, wenn dadurch Energie in einem Reaktor erzeugt werden soll.
Nach der Relativitätstheorie Albert Einsteins sind Masse und Energie gleichwertige Grössen, das heisst, Masse kann als bestimmte Form von Energie betrachtet werden, was in der bekannten Formel E = mc2 ausgedrückt wird.
Die chemischen Elemente, woraus alle Sterne und Planeten, alle Organismen und auch wir Menschen bestehen, wurden im Universum in zwei Phasen erzeugt. Dabei endete die erste Phase bereits wenige Minuten nach dem Urknall. In diesem Stadium existierten nur die leichtesten Elemente Wasserstoff und Helium sowie Lithium und Beryllium in geringen Mengen. Danach sanken Temperatur und Dichte im expandierenden Universum so weit, dass keine schwereren Atomkerne mehr entstehen konnten.
Die zweite Phase der Entstehung von Atomkernen begann erst einige hundert Mio. Jahre später. Aus dem Urgas bildeten sich durch Gravitationsdruck die ersten Sterne, in deren heissen Zentren Kernreaktionen einsetzten, in denen die leichten Elemente Wasserstoff und Helium nach und nach zu schwereren Elementen bis zum Eisen fusionierten. Atomkerne, die schwerer sind als Eisen, entstanden schliesslich erst in den letzten Entwicklungsstadien massereicher Sterne sowie in gewaltigen Sternexplosionen, den «Supernovae». Heute — etwa 13 Mia. Jahre nach dem Urknall — zeigt sich unsere Welt in der heutigen uns bekannten Form. Dabei sind wir wörtlich aus Sternenstaub gemacht, denn jedes Atom in unserem Körper oder in unserer Umwelt, das schwerer ist als Wasserstoff, musste zuerst in einem Stern «ausgebrütet» werden.