Wissen über Kernfusion
Kann die Kernfusion alle Energieprobleme lösen?
Die Kernfusion ist eine Kernreaktion, bei der zwei Atomkerne zu einem neuen Kern „verschmelzen“. Die Kernfusion ist Ursache dafür, dass die Sonne und andere Sterne Energie abstrahlen.
Grundsätzlich können Fusionsreaktionen exotherm (Energie liefernd) oder endotherm (Energie verbrauchend) sein; nennenswert große Wirkungsquerschnitte (Wahrscheinlichkeit, dass die zusammenstoßenden Kerne miteinander reagieren) gibt es nur bei exothermen Fusionsreaktionen oder bei endothermen Reaktionen, wenn beide Kerne mit ausreichend hoher Energie aufeinander prallen. Exotherme Fusionsreaktionen können in Form einer energetischen Kettenreaktion ablaufen. Diese sind ein wesentlicher Gegenstand der Forschung und Entwicklung zur Energiegewinnung.
Bei der Kernfusion muss zunächst die Coulombbarriere (elektrische Abstoßungskraft) zwischen den positiv geladenen Kernen überwunden werden. Der Tunneleffekt macht diesen Vorgang wahrscheinlicher. Beträgt der Abstand dann nur noch 10 Hoch15 m, bindet die starke Wechselwirkung die Kerne aneinander.
Energiegewinnung
In einem Kernfusionsreaktor könnten hohe Energiemengen erzeugt werden, wobei die benötigten Brennstoffe (Wasserstoffisotope) auf lange Sicht in fast beliebiger Menge zur Verfügung stehen. Im Gegensatz zur Kernspaltung – bei der schwere Kerne gespalten werden und hochradioaktive Spaltbruchstücke zurück bleiben – werden bei der Kernfusion leichte Kerne verschmolzen. Radioaktiver Abfall entsteht auch bei der Kernfusion in den Reaktormaterialien durch Neutronenstrahlung, jedoch in wesentlich geringerer Menge und mit niedrigeren Halbwertszeiten als bei der Kernspaltung.
Zur Nutzung der Deuterium-Tritium-Reaktion als Energiequelle werden in internationaler Zusammenarbeit Kernfusionsreaktoren mit magnetischem Einschluss des Plasmas nach dem Tokamak- und auch dem Stellarator-Prinzip entwickelt.
Daneben gibt es Entwicklungsprogramme für die Fusion mit Trägheitseinschluss, auch Trägheitsfusion genannt. Dabei wird eine kleine Menge Wasserstoff mittels Laser- oder Ionenstrahlen so schnell und stark erhitzt, dass Kernfusionsreaktionen ablaufen, bevor das Material wegen der Hitze auseinander geflogen ist.
Kernfusionsreaktor
Als Kernfusionsreaktor oder Fusionsreaktor werden technische Einrichtungen bezeichnet, die dazu dienen, die Kernfusion kontrolliert ablaufen zu lassen und zur Energiegewinnung zu nutzen. Dazu sind sehr hohe Temperaturen und Drücke notwendig, die aufwändiger Techniken bedürfen. Die bisher gebauten Fusionsreaktoren dienen zu Versuchszwecken und sind nicht zur Stromgewinnung geeignet.
Kernfusionskraftwerke hätten gegenüber den bisherigen, mit Kernspaltung arbeitenden Kernkraftwerken die Vorteile eines größeren Brennstoffvorrats, höherer Anlagensicherheit und weniger langlebiger radioaktiver Abfälle. In der Hoffnung, den künftigen Energiebedarf mittels der Kernfusion decken zu können, arbeiten einige größere Industrieländer seit den 1960ern an der Entwicklung der erforderlichen Technologien. Aktuell im Bau befindliche Versuchsreaktoren sind ITER und Wendelstein 7-X.
Auch in der Sonne laufen seit Jahrmilliarden Kernfusionsprozesse ab, allerdings sind die dort wirksamen Kernreaktionen – Proton-Proton-Reaktion und CNO-Zyklus – für eine technische Nutzung auf der Erde ungeeignet.
Grundprinzip
Im Innern eines Fusionsreaktors verschmelzen Atomkerne miteinander und geben Energie in Form von Neutronenstrahlung und Bewegungsenergie des entstandenen Produktkerns ab. Zur Fusion unter technisch herstellbaren Bedingungen sind nur bestimmte leichte Nuklide geeignet.
Damit es zwischen zwei Atomkernen zur Fusionsreaktion kommt, muss ihre gegenseitige elektrische Abstoßung überwunden werden. Für kernphysikalische Untersuchungen lässt sich dies durch Beschleunigung der Ionen in Teilchenbeschleunigern erreichen. Aus solchen Laborversuchen sind die Eigenschaften der für die Energiegewinnung geeigneten Kernfusionsreaktionen gut bekannt. Jedoch wird bei einem solchen Experiment insgesamt viel mehr Energie aufgewendet, als durch die Reaktion freigesetzt wird. Der Betrieb eines Kraftwerks ist auf diese Weise nicht möglich.
Für die Stromerzeugung müssen Kernreaktionen von selbst ablaufen, also ähnlich wie chemische Reaktionen in einer Flamme, d. h. ohne ständige äußere Energiezufuhr zur Beschleunigung der Atomkerne. Eine solche Energiezufuhr ist nur für das anfängliche Aufheizen auf die zur Fusion notwendige kinetische Energie der Atomkerne nötig, entsprechend einer Temperatur von über 100 Millionen Grad Celsius. Um die Fusions-Kettenreaktion einzuleiten, wird daher zunächst ein Plasma hergestellt und durch Energiezufuhr von außen erhitzt. Bei ausreichend hoher Temperatur und Dichte zündet dann die Reaktion. Ein Teil der bei den Verschmelzungen gewonnenen Energie dient zur Aufrechterhaltung der Temperatur. Der verbleibende Energieüberschuss wird zur Aufheizung eines Kühlmittels genutzt . Wasserdampf treibt dann über eine Dampfturbine einen Generator zur Stromerzeugung an wie in herkömmlichen Kraftwerken. Bei anderen Kühlmitteln, wie z. B. Helium muss ein Wärmetauscher vorgeschaltet werden, der seinerseits Wasser erhitzt. Quelle Wikipedia
