Kernfusion - eine Energiequelle der Zukunft?

In der Sonne brennt das Feuer der Kernfusion, unter hohem Druck und unvorstellbaren Temperaturen werden Wasserstoffkerne ineinander gedrückt und verschmelzen zu Helium, wobei viel Energie frei wird - 1 Gramm Wasserstoff erzeugt ein Energieäquivalent von etwa 10000 Litern Heizöl.

Diese Energie auch auf der Erde freizusetzen ist seit nunmehr 50 Jahren das Ziel der Physiker, wie zum Beispiel in Garching, wo der den ersten Fusionsreaktor, der mehr Energie liefert als hineingesteckt werden muss, 2012 in Betreib gehen soll.

Es gibt zwei Möglichkeiten aus einem Atom Energie zu gewinnen, man kann es spalten, wobei ein Teil der Bindungsenergie frei wird. Das geht allerdings nur mit schweren Atomen, vorzugsweise solche, die von selbst zerfallen, das sind die radioaktiven Elemente, wie Uran usw. - das nennt man Kernfission oder Kernspaltung. Alle andern schweren Elemente zerfallen auch aber mit so großen Halbwertzeiten, dass sie nicht für die Energiegewinnung eingesetzt werden können.

Elemente, die leichter sind als Eisen, geben bei der Verschmelzung Energie ab. Das liegt am Zusammenwirken der verschiedenen Kernkräfte und dem inneren Aufbau der Kerne. Während Sterne zum Beispiel auch Helium und Kohlenstoff verschmelzen können, wenn der Wasserstoff verbraucht ist - das hängt mit der Größe der Sterne zusammen, benutzt man auf der Erde den sogenannten schweren Wasserstoff, das sind Isotope des Wasserstoffs - Deuterium und Tritium, die im Kern zusätzlich zum Proton ein oder zwei Neutronen haben - und leichter verschmelzen als der einfache Wasserstoff.

So hohe Drücke wie in der Sonne kann man im Labor allerdings nicht erzeugen, deshalb müssen die Physiker im Gegenzug die Temperatur so weit erhöhen, dass die Thermische Energie allein ausreicht, um die Wasserstoffkerne zum zusammenstoßen zu bringen. Die hohe Energie ist notwendig, da die im Plasma von den Elektronen getrennten Atomkerne sich gegenseitig abstoßen, diese Abstoßungsenergie muss überwunden werden, bevor die Kerne verschmelzen können. Heiße Atomkerne bewegen sich sehr schnell und können deshalb diese Potentialbarriere der elektrischen Abstoßung überwinden.

Die dazu nötigen Temperaturen von 400 Millionen Grad könnte keine Isolierung auch nur kürzeste Zeit überstehen, deshalb wird das Plasma in einem Magnetring festgehalten und erhitzt, der eine ausgeklügelte Form haben muss, damit das Plasma nicht die Wände berühren kann. Mit zwei Formen wird zur Zeit experimentiert, das eine ist der Tokamak-Reaktor in Form eines Torus - eines großen etwas höheren Donut. Das Plasma fließt hier im Kreis und kann so gut unter Kontrolle gehalten werden. Die neuere Form ist der sogenannte Stellerator ein kompliziert gewundener Torus, dessen Magnetfeld das Plasma besser halten und erhitzen können soll, da die Magnetfelder und die Anordnung der Magnetspulen mit Computern berechnet werden können muss im Plasma kein Strom mehr fließen. Der Betrieb de Tokamak-Typs ist wesentlich aufwendiger als der des Stellerators aber bis die neue Technik ausgereift ist wird nicht darauf verzichten können. Durch die induzierten Ströme des Magnetfelds im Plasma wird es erhitzt und die geladenen Teilchen, Elektronen und Atomkerne, werden durch das Magnetfeld in der Reaktionskammer gehalten, ohne dass es zu einer Berührung von Plasma und Wand kommen kann. So muss die Isolierung lediglich der Wärmestrahlung des heißen Plasmas widerstehen, was derzeit nur Hochleistungskeramiken zuleisten vermögen.

Die Zündung des Sonnenfeuers macht zur Zeit die größten Probleme, dazu werden extrem starke Laser eingesetzt, deren Energieverbrauch so groß ist, dass netto noch keine Energie aus der Kernfusion gewonnen werden kann. Außerdem reicht im Moment die hineingesteckte Energie noch nicht aus um das Feuer dauerhaft zu entzünden. Bisherige Experimente sind noch nicht über Bruchteile von Sekunden hinausgekommen. Das wird sich allerdings bald ändern, weil Ultrakurzzeitlaser entwickelt werden, in denen das Laserlicht extrem verstärkt werden kann, so dass für Sekundenbruchteile Energien und Intensitäten erreicht werden, die genügen, um das Plasma zu zünden. Solche Laser sollen übrigens auch zur Simulation von Atomwaffen oder zur Erforschung vom Ablauf chemischer Reaktionen zum Einsatz kommen.

Erst die nächste Generation der Fusionsreaktoren, die eine größere Menge an Plasma und leistungsfähigere Laser enthalten lassen eine Brenndauer von wenigen Sekunden erwarten.

Genau wie bei den Kernkraftwerken wird mit der frei werdenden Energie Wasser erhitzt, das dann wieder Turbinen antreibt, die den Strom erzeugen.

Ganz sauber ist diese Technologie allerdings nicht, es muss beachtet werden, dass auch Deuterium und Tritium die umgebenden Materialien verunreinigen, denn die bei der Fusion frei werdende Strahlung macht die umgebende Maschinerie radioaktiv, Eindämmung und Magneten werden somit nach und nach zu Radioaktivem Abfall. Der hat zwar Halbwertszeiten, die wesentlich unter denen der Kernfission liegen, trotzdem muss auch dieser Sondermüll sicher eingelagert werden. Es wird allerdings auch nach Möglichkeiten gesucht das Tritium in gewissem Umfang zum Beispiel aus kontaminiertem Kühlwasser zurückzugewinnen.

Hinzu kommt, dass es auf der Erde keine natürlichen Tritiumvorkommen gibt, es muss also Kerntechnisch erbrütet werden, indem man Wasser mit Neutronen beschießt, wobei ebenfalls Radioaktiver Abfall entsteht.

Zweifellos ist die Kernfusion aber sicherer als die Kernspaltung da es nicht zu einer unkontrollierten Kettenreaktion kommen kann, selbst wenn die erzeugte Energie des Plasmas irgendwann ausreichen sollte das Wasserstoffbrennen aufrecht zu erhalten ist in der Brennkammer nur wenig Treibstoff vorhanden und es würde sofort abkühlen, wenn es unkontrolliert mit der Wand in Berührung kommt.

Vor kurzem hat sich aber noch eine weitere Möglichkeit aufgetan, es ist zwar nicht die Kernfusion im Wasserglas aber ziemlich dicht dran. In diesem Verfahren - das schon in dem Film "Außer Kontrolle" mit Keanu Reeves und Morgan Freeman als Vorlage dient - wird schweres Wasser mit Ultraschall bestrahlt, wenn die richtige Frequenz getroffen wird bilden sich Gasblasen, man nennt diesen Effekt auch akustische Kavitation, die sich schnell ausdehnen und dann Implodieren, dies setzt große Energiemengen frei, die als Sonoluminiszenz bekannt geworden sind, seit dieses Phänomen 1933 entdeckt wurde hat man aber nur Lichtblitze erzeugen können, was schon erstaunlich genug ist, da selbst für sichtbares Licht die Energie der eingestrahlten Schallwelle bereits millionenfach verstärkt werden muss. Wie das geschieht ist noch nicht endgültig geklärt.

Im Oak Ridge National Laboratory hat man vor kurzem ein Experiment durchgeführt bei dem das Wasserstoffatom im Aceton-Molekül durch Deuterium ersetzt wurde und neben der Ultraschallbestrahlung wurde ein Strahl hochenergetischer Neutronen durch die das Aceton geschickt wurde. Es gibt Hinweise darauf, dass es bei diesen Experimenten zur Kernfusion gekommen sein könnte, wobei Deuterium, unter Aussendung eines überschüssigen Neutrons mit charakteristischer Energie, zu Helium umgewandelt wurde.

Diese Experimente werden derzeit kontrovers diskutiert und konnten bisher von anderen Experimentatoren nicht bestätigt werden.

Ob die Kernfusion nun die Lösung aller Energieprobleme dieser Welt ist, wie das auch schon bei der Kernspaltung versprochen wurde, oder ob man die Sonnenenergie mit weniger Aufwand über Photovoltaik und Sonnenkollektoren nutzt wird die Zukunft zeigen. Die Forschungen auf diesem Gebiet werden sich noch viele Jahre hinziehen und wie bei der Sonolumineszenz warten auf die Forscher sicherlich noch eine Reihe spannender Entdeckungen über die sich die Physiker den Kopf zerbrechen können.


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Gibt es eine nachhaltige Lösung für all unsere Umwelt- und Energieprobleme?Erich Görgens15.07.2014
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1Antwort: Gibt es eine nachhaltige Lösung für all unsere Umwelt- und Energieprobleme? (Erich Görgens)
01.10.2014 18:40 Uhr

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