Fusionskraft

Digitalisierung Mai 15, 2020

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)