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TOPIC 5: FUSIONSTECHNOLOGIE Mega-Mikrowelle: Leistungsstarke Gyrotronröhren heizen das Plasma auf über 100 Millionen Grad Celsius auf. Die am KIT entwickelte 140-Gigahertz-Gyrotronröhre erreicht Heizleistungen bis zu einem Megawatt. 28 DER WEG VOM EXPERIMENT ZUM KRAFTWERK Wenn es gelingt, die Kernfusion als Energiequelle zu nutzen, kann die wachsende Weltbevölkerung für Tausende von Jahren mit Strom und Wärme versorgt werden – wirtschaftlich, sicher und umweltverträglich mit Brennstoffen aus Wasser und Gestein. Im KIT entwickeln Forscherinnen und Forscher komplexe Technologien für das große Ziel: ein Fusionskraftwerk, das grundlastfähige Energie liefert.
Seit Milliarden von Jahren lässt Kernfusion die Sonne und andere Sterne leuchten. Seit Jahrzehnten arbeiten die Menschen daran, dieses kosmische Feuer auf die Erde zu holen, denn das Verschmelzen von Atomkernen ist als Energiequelle nahezu unerschöpflich. Aber was in der Sonne quasi automatisch abläuft, bedarf auf der Erde hochkomplexer Technologien. Deuterium-Tritium-Fusion Von verschiedenen möglichen Brennstoffen haben sich zwei als für ein irdisches Kraftwerk am besten geeignet erwiesen: Deuterium, ein Wasserstoffisotop mit einem Proton und einem Neutron, und Tritium, ein Wasserstoffisotop mit einem Proton und zwei Neutronen. Bei der Fusion verschmilzt der Kern des schweren Wasserstoffs Deuterium mit dem Kern des überschweren Wasserstoffs Tritium zum Helium-4-Kern mit zwei Protonen und zwei Neutronen, auch als Alphateilchen bezeichnet; ein hochenergetisches Neutron wird ausgesendet. Dabei wird rund 2000 mal so viel Energie freigesetzt wie zugeführt worden ist. Die Energie ist zu 80 Prozent an das Neutron gebunden. Die Brennstoffe sind leicht zu beschaffen: Deuterium ist zu etwa 0,015 Prozent in natürlichem Wasser enthalten, also nahezu unbegrenzt verfügbar. Tritium kommt zwar wegen seiner Halbwertszeit von nur zwölf Jahren in der Natur kaum vor, lässt sich aber aus Lithium erbrüten. Die technisch nutzbaren Lithiumvorkommen in der Erdkruste reichen aus, um den Energiebedarf der Weltbevölkerung für viele tausend Jahre zu decken. Für die Fusionsreaktion sind denkbar geringe Rohstoffmengen erforderlich. Technische Herausforderungen im Reaktor In experimentellen Anlagen ist die Deuterium-Tritium Reaktion längst geglückt. Doch bis zum Kraftwerk ist es ein langer Weg. Kernfusion funktioniert nur mit immens hohen Temperaturen, bei denen die Brennstoffe sich im Plasmazustand befinden. Nur dann überwinden die Atom- Plasma – der vierte Aggregatzustand Neben den drei klassischen Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig gibt es einen vierten Aggregatzustand: das Plasma. Es handelt sich um ionisiertes Gas, das heißt einen gasförmigen Zustand, in dem freie Elektronen sowie Ionen – elektrisch geladene Atome – vorkommen. Bei vollständiger Ionisation sind nur noch Elektronen und freie Atomkerne vorhanden. Der Plasmazustand kann bei hohen Temperaturen oder durch starke elektrische Felder eintreten. Auf der Erde kommen natürliche Plasmen vor allem in Blitzen vor. Auch Flammen haben Plasmaeigenschaften. Im ständigen Plasmazustand befinden sich die Sonne und andere Sterne. kerne ihre gegenseitige Abstoßung und verschmelzen miteinander. Zur Zündung einer solchen Fusionsreaktion auf der Erde bedarf es einer Temperatur von über 100 Millionen Grad Celsius – sechs Mal so heiß wie im Innern der Sonne, weil sich die hohen Drücke im Sonneninnern auf der Erde nicht nachahmen lassen. Eine solche Temperatur will erst einmal erreicht sein. Eine weitere Herausforderung besteht im Einschluss des Plasmas. Kein festes Material hält der hohen Temperatur längere Zeit stand. Der Einschluss geschieht daher mithilfe von starken Magnetfeldern. Dennoch bedarf es einer äußeren Begrenzung durch feste Materie. Die Wand der Brennkammer muss sowohl dem Wärmefluss, der sich aus Plasmatemperatur und Teilchendichte ergibt, als Wasser und Gestein liefern die Brennstoffe für die Kernfusion. auch einem ständigen Neutronenbeschuss standhalten. Die bei der Fusion entstehenden Neutronen tragen den Großteil der Energie, können als neutrale Teilchen das Plasma verlassen und in die Brennkammerwand eindringen. Dadurch aus der Wand gelöste Teilchen wiederum verunreinigen das Plasma. Diese Teilchen sowie das Reaktionsprodukt Helium-4 müssen laufend aus dem Plasma entfernt werden. Dazu dient ein Divertor, der die unerwünschten Ionen zu neutralen und damit pumpfähigen Teilchen umwandelt. Hoch leistungsfähige Vakuumpumpen, so genannte Kryopumpen, saugen dann das Abgas ab und führen es der Tritiumanlage zu. Die hoch energetischen Neutronen gelangen in das Blanket, eine äußere Hülle, und geben ihre Bewegungsenergie an Atomkerne ab. Die entstehende Wärme 29
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