Kernfusions-Kraftwerke als Frage der Zeit

6. März 2006, 12:05
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Experte: "Die meisten prinzipiellen Probleme sind aus Sicht des Plasmaphysikers gelöst"

Wien - Bis zur Errichtung eines kommerzielle Kernfusions-Kraftwerkes ist es nach Ansicht von Alexander Kendl vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck nur noch eine Frage der Zeit, aber auch eine Frage der politischen Entscheidungen. "Die meisten prinzipiellen Probleme sind aus Sicht des Plasmaphysikers gelöst", sagt der Experte. Kendl beendete kürzlich ein EU-Forschungsprojekt zum Thema "Turbulenzen in Plasmen".

Kernfusion ist jene Energie-Quelle, welche auch unsere Sonne zum Leuchten bringt. Auf der Erde begann das Fusionszeitalter am 1. März 1954 in der Nähe des Bikini-Atolls, als dort die erste Wasserstoff-Bombe gezündet wurde. Auch diese Waffe funktioniert nach dem Prinzip der Verschmelzung von zwei Wasserstoff- zu einem Heliumkern. Was die friedliche Nutzung der Kernfusion bis jetzt verhindert, sind vor allem die extremen Temperaturen, die nötig sind, damit die Sache überhaupt in Gang kommt.

Fusion

Atomkerne sind nämlich positiv geladen und stoßen einander elektromagnetisch ab. Erst wenn sie sich entgegen dieser abstoßenden Kraft mehr oder weniger berühren, kommt ein neuer Faktor ins Spiel, nämlich die so genannte Kernkraft. Diese ist wesentlich stärker als die abstoßende elektromagnetische Kraft und hält den neu entstandenen Kern zusammen.

In der Sonne wird die abstoßende Kraft durch die hohe Masse des Sterns im Inneren überwunden. Die Teilchen werden, vereinfacht gesagt, durch die Gravitation so stark zusammengequetscht, bis die Kernkraft zwischen ihnen zu wirken beginnt. In der H-Bombe wurde die nötige Start-Energie für die Fusion dagegen mit einer kleinen Atom-Bombe produziert. Für die friedliche Nutzung der Fusion muss das Gemisch aus den beiden Wasserstoffsorten Deuterium und Tritium durch Magnetfelder eingesperrt und aufgeheizt werden. Ab einer Temperatur von 100 Millionen Grad Celsius beginnt es dann zu brennen, die Kernfusionen setzen ein.

Probleme

Das Hauptproblem für die friedliche Nutzung der Fusion ist hauptsächlich die Wahl der Materialien, die Hitze und Neutronenstrahlung aushalten und so einen kontrollierten Ablauf gewährleisten. "Die anfängliche Euphorie, nach der Wasserstoffbombe auch bald mit der friedlichen Nutzung der Fusionstechnologie beginnen zu können, verflog sehr rasch", berichtete Kendl. So zeigte sich, neben zahlreichen anderen Problemen, dass Plasma, dessen Herstellung für die Zündung der Fusionsreaktion Voraussetzung ist, völlig andere Strömungseigenschaften aufweist als etwa eine Flüssigkeit oder ein Gas.

Es entstehen Turbulenzen im Millimeterbereich wie auch in größeren Maßstäben, die dann zu erheblichen Energieverlusten führen können, sagte der Physiker. Beeinflussbar sind diese Turbulenzen etwa über die Magnetfelder, durch welche das Plasma gleichsam festgehalten wird. Kendl ist der Sache nun in aufwändigen Computersimulationen auf den Grund gegangen und hat damit die Kenntnisse über die Strömungseigenschaften von Plasma verbessert und geklärt, wie die Magneten weiter verbessert werden können.

>>> Versuchsanlage ITER, Szenarien und Sicherheitsberechnungen

Versuchsanlage ITER

Die Kernfusions-Versuchsanlage ITER, die gemeinsam von der EU, China, Russland, Südkorea, den USA und Japan in Cadarache (Frankreich) geplant ist, wird etwa die halbe Größe eines kommerziell nutzbaren Kraftwerkes haben. Kendl schätzt, dass in rund zehn Jahren die ersten verwertbaren wissenschaftlichen Daten von ITER eintreffen.

Wie lange es dann noch bis zu einem wirklich Strom liefernden Kraftwerk dauert, hängt nach Ansicht des Physikers weniger von technologischen als vielmehr von politischen Entscheidungen ab. "Der schnellste Weg wäre, nach Vorliegen von ersten Erfahrungen mit ITER sofort mit dem Bau von Fusions-Kraftwerken zu starten, das würde einen Baubeginn in rund 15 bis 20 Jahren bedeuten", so Kendl. Wählt man dagegen den sichersten Weg und lotet zuerst alle Probleme mit Versuchsanlagen aus, so ist wohl vor 50 Jahren nicht mit Fusionsstrom aus der Steckdose zu rechnen.

Szenarien

An der Tatsache allein, dass Fusion eine Energiequelle der Zukunft ist, zweifelt kaum jemand. Im Europäischen Abkommen zur Entwicklung der Fusionsforschung (EFDA) werden für ein kommerzielles Kraftwerk vier mögliche Szenarien vor allem bezüglich der heiklen Frage der Wärmeableitung und Kühlung gezeichnet.

Prinzipiell wird die durch die Fusion entstehende Energie in erster Linie in Form von so genannten schnellen Neutronen abgegeben. Eine spezielle innere Wandung des Plasmagefäßes - genannt Blanket - fängt die Neutronen auf, die Bewegungsenergie wird in Wärme umgewandelt und an ein Kühlmittel abgegeben. Im Blanket wird außerdem das Tritium erbrütet, das später als Brennstoff nötig ist.

Sicherheitsberechnungen

Für einige Varianten haben die Wissenschafter von EFDA auch Sicherheitsberechnungen angestellt und den Extremfall "Totaler Ausfall der Kühlung, anschließend bleibt das Kraftwerk ohne jede Gegenmaßnahme sich selbst überlassen" simuliert. Das Ergebnis: Die Störung der Betriebsbedingungen bringt über Plasmainstabilitäten den Brennvorgang sofort zum Erlöschen; die Nachwärme in den Wänden reicht nicht aus, um Bauteile zu schwächen oder gar zu schmelzen.

Die Tatsache, dass nach derzeitigem Wissensstand katastrophale Unfälle - vergleichbar mit einer Kernschmelze in einem Kernkraftwerk - in einem Fusionskraftwerk unmöglich sind, ist eines der Hauptargumente der Befürworter dieser Technologie. Auch bezüglich radioaktivem Abfall schneiden Fusionskraftwerke deutlich besser ab als Kernkraftwerke, versichern die Wissenschafter. (APA)

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EFDA
  • Bild nicht mehr verfügbar

    Ein undatiertes Werksfoto zeigt ein Detail des japanischen Kernfusion-
    Forschungszentrums Naka in der Provinz Ibaraki.

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