Fusionskraft

Ein Schülerblog von Richard Krikler.

Innerhalb der letzten 60 Jahre ist der globale Energieverbrauch rapide
angestiegen. Um diesen exponentiellen Anstieg des Verbrauches gerecht zu werden,
muss genügend Strom erzeugt werden. Dieser Strom kommt allerdings zum größten
Teil von sehr umweltschädlichen und nicht erneuerbaren Energiequellen. Die
Quellen für unseren Strom waren beispielsweise im Jahr 2017 zu 35% Erdöl, zu 28%
Kohle und zu 23% Erdgas. Jedoch nur 4% des verbrauchten Stromes kamen von
Wasserkraft, Wind, Solar und anderen erneuerbaren Energiequellen. Aus diesem
Grund muss man dauerhaft nach neuen Energiequellen suchen, welche mehr Strom
produzieren können. Eine umstrittene, aber dennoch „klimafreundliche“,
Energiequelle wäre die Kernspaltung, da dabei keinerlei CO2, oder andere
Schadstoffe, in die Atmosphäre gelangen. Dabei gibt es natürlich die bekannten
Nachteile, wie zum Beispiel den Supergau (Bsp.: Fukushima) oder die Entsorgung
des radioaktiven Atommülls. Bei dieser Art von Energiegewinnung muss man
allerdings auch bedenken, dass die Atomkraft eines der Energiequellen mit der
geringsten Sterberate ist (170 Menschen pro Jahr, Vergleich: Braunkohle 280000
Tode). Um die Nachteile zu beseitigen, gäbe es die Möglichkeit einer weiteren
Energiequelle, nämlich der Fusionskraft.

Warum Fusionskraft?
Die Gründe für die Verwendung von Fusionskraft als Energiequelle sind sehr
vielseitig. Einerseits ist die Wetterunabhängigkeit, im Vergleich zu
erneuerbaren Energien, ein wichtiger Punkt für die Nutzung. Andererseits wird
auch mehr Energie erzeugt als bei erneuerbaren Energien, nämlich viermal mehr
als bei der Kernspaltung. Die produzierten Abfälle der Fusionskraft haben eine
Halbwertszeit von gerade einmal einigen Jahrzehnten, welche im Vergleich zur
Kernspaltung, mit maximal ca. 2,1 Millionen Jahren, sehr gering ist. Es ist auch
im Normalbetrieb eine sehr sichere Energiequelle, da keine Supergaus möglich
sind (dazu später mehr).

Funktionsweise
Im Allgemeinen ist die Funktionsweise der Fusionskraft, die Verschmelzung zweier
Atomkerne. Dabei ist das Endprodukt deutlich leichter als das der ausgehenden
Elemente und somit herrscht eine Massendifferenz. Diese wird ausgeglichen, indem
Energie, in Form von Wärme, freigesetzt wird. Dies liegt an der, von Einstein
bekannten, Messäquivalenz Formel „E = m * c²“. Wenn man nun die herkömmliche
Kernkraft mit der Fusionskraft vergleicht, stellt sich heraus, dass man bei der
Fusionskraft viermal mehr Energie produzieren kann.

Täglich spürt man den Effekt der Fusionskraft durch die Wärme der Sonne, denn
dort finden dauerhaft Fusionsreaktionen statt. Dabei werden Wasserstoffatome so
stark erhitzt, bis sich ein Plasma bildet. Das Plasma ist ein Gasgemisch aus
frei beweglichen Elektronen und positiven Wasserstoffkernen (Ionen). Bei der
Sonne wird durch hohen Druck und großer Menge an Wasserstoffatomen die Abstoßung
überwunden und es kommt zur Fusion zu Helium.

Da man auf der Erde den hohen Druck auf der Sonne, oder die Menge an
Wasserstoffatomen, nicht nachbilden kann, muss das Plasma eine sehr hohe
Temperatur erreichen, um es stabil zu halten. Diese Temperatur ist ungefähr 6-7
Mal heißer als bei der Sonne, nämlich über 100 Millionen Grad Celsius. Weiters
muss statt Wasserstoff, Deuterium (im Meerwasser reichliche vorhanden) und
Tritium (kann man aus Lithium im Kraftwerk gewinnen) verwendet werden, um
Energie zu gewinnen und nicht zu verlieren.

In der Praxis gibt es bei der Temperatur allerdings ein Problem, nämlich, dass
die Wände eines Reaktors das Plasma viel zu schnell abkühlen würden. Mit einem
Trick kann man dieses Problem allerdings lösen. Plasma besteht im Wesentlichen
aus Protonen und Elektronen (geladene Teilchen) und ist somit elektrisch
leitfähig. Dies kann man sich zunutze machen, indem man das Plasma mithilfe
eines Magnetfeldes manipuliert. Die schlussendliche Idee ist es ein Vakuum zu
erzeugen, indem das Plasma mithilfe von Magnetfeldern schweben lässt.

Prototypen
Es gibt derzeit zwei vielversprechende Prototypen, nämlich den Fusionsreaktor
Tokamak und den Stellarator. In beiden Beispielen wird mithilfe von Spulen ein
Magnetfeld erzeugt, indem sich das Plasma bewegt. Die Magnetfeldlinien dürfen
nicht einfach einen Kreis bilden, da diese Form instabil wäre. Stattdessen
verdrillt man das Magnetfeld, um eine stabilere Form zu erreichen.

Beim Tokamak erzielt man das, indem man in das Plasma Strom induziert. Dadurch
bleibt das Plasma in der Bahn und es wird zusätzlich auch noch erhitzt.

Beim Stellarator wird das Magnetfeld nur durch die äußeren Spulen verzerrt.
Durch seine Bauweise kann der Stellarator auch prinzipiell im Dauerbetrieb
betrieben werden. Die Form der einzelnen Spulen ist sehr komplex und konnte nur
durch die Hilfe von Supercomputern genau berechnet werden.

Am Tokamak Reaktor wurde schon länger geforscht als beim Stellarator, und ist
somit schon näher beim Praxisbetrieb. Allerdings hat der Stellarator mehr
Vorteile, wie beispielsweise der Dauerbetrieb.

Zur Energiegewinnung wird das Neutron, welches bei einer Fusion entsteht, wird
bei den Wänden des Reaktors abgebremst. Dort entsteht Wärme, dass das Wasser
erhitzt und zu Dampf werden lässt. Mit dem Wasserdampf werden dann Turbinen
angetrieben.

Geldmangel
Trotz der vielen Vorteile der Fusionskraft gibt es auch noch
Gesundheitsbedenken. Zum Beispiel Gesundheitsschädlichkeit von Lithium, oder
Strahlung, die bei der Fusion erzeugt wird.

Die Fusionskraft ist eine vielversprechende Energiequelle, welche allerdings
wahrscheinlich erst ab 2050 nutzbar sein wird. Denn obwohl schon seit zirka 1960
an der Kernfusion geforscht wird, liegt es oft an der Politik und den fehlenden
Forschungsgeldern, die benötigt werden, um die Fusionskraft weiter
voranzutreiben.

Quellen
Energy – Our World in Data:
https://ourworldindata.org/energy (30.1.2020)

Wie funktioniert Kernfusion?:
https://www.youtube.com/watch?v=IHoDA8tcQuI (30.1.2020)

Warum Fusionskraft die Welt retten kann:
https://www.youtube.com/watch?v=fBJ7MW2daPU (29.1.2020)

Der wahre Preis für Energie:
https://de.statista.com/infografik/14187/todesfaelle-nach-energiequelle
(31.1.2020)

Atommüll:
https://www.planet-wissen.de/technik/atomkraft/atommuell/index.html (2.2.2020)

Kernfusionsreaktor:
https://www.chemie.de/lexikon/Kernfusionsreaktor.html (4.2.2020)

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