energieumwandlung - KIT - Zentrum Energie

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
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