{"id":379,"date":"2013-01-30T08:45:29","date_gmt":"2013-01-30T07:45:29","guid":{"rendered":"http:\/\/www.deepwebspace.de\/?p=379"},"modified":"2013-02-03T16:09:30","modified_gmt":"2013-02-03T15:09:30","slug":"fusionsreaktoren-der-lange-weg-von-der-vision-zur-realitat","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.deepwebspace.de\/?p=379","title":{"rendered":"Fusionsreaktoren &#8211; Der lange Weg von der Vision zur Realit\u00e4t"},"content":{"rendered":"<p>Die Energiequelle der Sonne auf der Erde nutzbar zu machen, ist ein alter Traum, dessen Umsetzung bereits in die Wege geleitet ist: Die Vision besteht darin, dass man eine gewisse Menge an Energie aufbringt, um eine gr\u00f6\u00dfere Menge als Gewinn zur\u00fcck zu erhalten. Damit k\u00f6nnte ein Wirkungsgrad von \u00fcber 100% erreicht werden &#8211; ohne Schadstoff-Emissionen, ohne dauerhafte Endlagerung radioaktiver Abf\u00e4lle oder die Gefahr eines zweiten Tschernobyls\/Fukushimas und dabei trotzdem auf dem Leistungsniveau von Atomkraftwerken. Der derzeitige Wirkungsgrad eines Kernkraftwerks, bezogen auf den Energiegehalt des in einem Brennstab umgesetzten Uran-235, liegt gerade einmal bei etwa 35%.<\/p>\n<h2>Der Startschuss fiel 1952 auf einer Insel im Pazifik&#8230;<\/h2>\n<p>Schon bei der Entwicklung der Atombombe wurden theoretische Konzepte erdacht, um Energie mittels Kernfusion zu erzeugen. 1952 z\u00fcndeten die USA die erste Wasserstoffbombe namens &#8222;Ivy Mike&#8220; im Eniwetok-Atoll \/ Pazifik. Dieser gewaltige Knall erbrachte den Nachweis, dass auch auf der Erde gro\u00dfe Energiemengen durch Kernfusion freigesetzt werden k\u00f6nnen. Der Preis daf\u00fcr war die Atollinsel Elugelab.<\/p>\n<p>[nggallery id=6]<\/p>\n<p>Der gro\u00dfe Durchbruch zur kontrollierten Fusion gelang 1968 in der\u00a0Sowjetunion mit dem Bau eines donutf\u00f6rmigen Plasma-Einschlussger\u00e4tes, umgeben von Magnetfeldspulen &#8211; genannt Tokamak. Ein weiteres Designkonzept, zum Bau von Fusionsreaktoren, sind Stellaratoren. Sie unterscheiden sich haupts\u00e4chlich in der Verfahrensweise, mit der das ben\u00f6tigte Magnetfeld erzeugt wird. Erst seit Ende des 20. Jahrhunderts ist es, mithilfe von Computern, m\u00f6glich die komplexe Geometrie der Magnetfeldspulen zu berechnen und damit den Bau von Stellaratoren zu realisieren. Noch hat sich keines der Konzepte als &#8222;Sieger&#8220; erwiesen, beide haben Vor- und Nachteile. Stellaratoren sind deutlich aufwendiger im Bau, k\u00f6nnen aber im Dauerbetrieb leichter kontrolliert werden.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h2>Das Fundament der Vision ist nun gelegt &#8230; Ein Wirkungsgrad von 1000 %<\/h2>\n<p>In S\u00fcdfrankreich wurde Ende 2012 das Fundament f\u00fcr den zuk\u00fcnftig gr\u00f6\u00dften Tokamak Experimentalreaktor <strong><a href=\"http:\/\/www.iter.org\/\">ITER<\/a><\/strong> (International Thermonuclear Experimental Reactor \/ lat.\u201eder Weg\u201c) gelegt. Ein passender Name f\u00fcr den erhofften Aufbruch in ein neues Zeitalter der Energieversorgung. Der urspr\u00fcngliche Favorit f\u00fcr den Standort war eigentlich Greifswald in\u00a0Mecklenburg-Vorpommern. Jedoch wurde die Zusage f\u00fcr eine Standort-Bewerbung durch Helmut Kohl von seinem Nachfolger Gerhard Schr\u00f6der leider zur\u00fcckgezogen. Damit w\u00e4re das weltgr\u00f6\u00dfte Tokamak-Experiment ITER in direkter Nachbarschaft zur Baustelle des weltgr\u00f6\u00dften Stellarator-Experiments <a href=\"http:\/\/www.ipp.mpg.de\/ippcms\/de\/pr\/forschung\/w7x\/index.html\"><strong>Wendelstein 7-X<\/strong><\/a> entstanden.<\/p>\n<p>Der ITER-Reaktor soll eine Fusionsleistung von 500 Megawatt liefern \u2013 zehnmal mehr, als zur Aufheizung des Plasmas verbraucht wurde. Dazu ben\u00f6tigt er ein Magnetfeld von 5 Tesla. Unser Erdmagnetfeld hat an seiner st\u00e4rksten Stelle gerade einmal\u00a048\u00a0\u00b5-Tesla. Die gesch\u00e4tzten Kosten der 10-j\u00e4hrigen Bauphase sind bei 13 Billionen Euro\u00a0(!) angesetzt. Diese Herausforderungen an Kosten und Technologie sind von einem einzelnen Land nicht zu bew\u00e4ltigen, daher haben sich sieben Parteien zu einem Wissenschaftsb\u00fcndnis zusammengeschlossen: Die Europ\u00e4ische Union, Japan, Russland, die Volksrepublik China, S\u00fcdkorea, Indien und die USA. Der L\u00f6wenanteil von 45,5% stammt dabei aus Europa. Die einzelnen L\u00e4nder bringen Ihren Beitrag nur teilweise in Form von Geld auf. Stattdessen liefern sie oft fertige Komponenten und bauen ben\u00f6tigte Geb\u00e4ude vor Ort auf. Am 15. Januar diesen Jahres hat ein Franz\u00f6sisch-Spanisches Firmenkonsortium (VFR) den 300 Mio. Euro Auftrag zum Bau des Tokamak-Komplexes unterzeichnet. Dieser 80m hohe, 120m lange und 80m breite Geb\u00e4udekomplex wird das Kernst\u00fcck der Anlage, den Reaktor, beherbergen. Die Fertigstellung und Inbetriebnahme ist vorraussichtlich 2020 geplant.<\/p>\n<p>[nggallery id=7]<\/p>\n<p><iframe loading=\"lazy\" src=\"http:\/\/www.youtube.com\/embed\/HF0eZ-bQgeg\" frameborder=\"0\" width=\"280\" height=\"185\"><\/iframe><iframe loading=\"lazy\" src=\"http:\/\/www.youtube.com\/embed\/XtTzlDDEbLQ\" frameborder=\"0\" width=\"280\" height=\"185\"><\/iframe><iframe loading=\"lazy\" src=\"http:\/\/www.youtube.com\/embed\/9rUNT6ckm-k\" frameborder=\"0\" width=\"500\" height=\"282\"><\/iframe><\/p>\n<h5><\/h5>\n<h2>Die Energiequelle der Sterne auf der Erde nutzbar machen &#8211;<br \/>\nWie soll das funktionieren?<strong><br \/>\n<\/strong><\/h2>\n<p>In einem Fusionsreaktor sollen die Kerne der Wasserstoffisotope, Tritium und Deuterium, zu Helium verschmolzen werden. Diese lassen sich in irdischen Verh\u00e4ltnissen am einfachsten fusionieren. Dabei entsteht ein Neutron und sehr viel Energie. W\u00e4hrend der Fusion, setzt ein Gramm Wasserstoff etwa dieselbe Menge an Energie frei, wie die Verbrennung von acht Tonnen Erd\u00f6l oder elf Tonnen Kohle.<\/p>\n<p><a href=\"http:\/\/www.deepwebspace.de\/wordpress\/wp-content\/uploads\/2013\/01\/200px-Deuterium-tritium_fusion_-_comma.svg_.png\"><img loading=\"lazy\" class=\"alignright\" title=\"Deuterium-Tritium Fusion\" src=\"http:\/\/www.deepwebspace.de\/wordpress\/wp-content\/uploads\/2013\/01\/200px-Deuterium-tritium_fusion_-_comma.svg_.png\" alt=\"Deuterium-Tritium Fusion\" width=\"163\" height=\"184\" \/><\/a><\/p>\n<p>Deuterium (\u201eschwerer Wasserstoff\u201c) ist in kleinen Anteilen in Wasser enthalten. Tritium (\u201esuperschwerer Wasserstoff\u201c) soll in den Fusionskraftwerken aus dem Rohstoff Lithium, als Nebenprodukt des Regelbetriebs, erzeugt werden.<\/p>\n<p>Die ben\u00f6tigte Temperatur f\u00fcr die Verschmelzung dieser Isotope liegt bei 150\u00a0Millionen Grad Celsius &#8211; 10mal hei\u00dfer als im Kern der Sonne. Dort kann die Kernfusion aufgrund der enormen Druckverh\u00e4ltnisse schon bei geringerer Temperatur ablaufen.\u00a0Im Zentrum der Sonne liegt der Druck bei etwa 200 Milliarden Bar, dies entspr\u00e4che dem Gewicht der Cheops-Pyramide auf einem Stecknadelkopf.<\/p>\n<p>Um den Fusionvorgang zu starten, muss der gasf\u00f6rmige Wasserstoff innerhalb einer Vakuumkammer mit viel Energieaufwand aufgeheizt werden, bis er den Plasmazustand annimmt (4. Aggregatzustand). Tokamak-Reaktoren, wie ITER, kombinieren dazu verschiedene Heizmethoden miteinander: Sehr starke Magnetfelder induzieren Strom im Plasma, der Ionen und Elektronen in sehr schnelle Bewegung versetzt. Bei Kollisionen der Teilchen entsteht eine enorme Hitze. Diese Heizmethode reicht alleine allerdings nicht aus, um die Fusionstemperatur von 150 Mio.\u00b0C zu erreichen. Deshalb wird das Plasma und der Reaktor selbst mit hochenergetischen Mikrowellen bestrahlt. Neutralteilcheninjektoren schiessen zus\u00e4tzlich Deuterium-Atome (im elektr. neutralen Zustand), die mit mehreren 1000 Volt beschleunigt wurden, ins Plasma um dort noch mehr Kollisionen hervorzurufen.<\/p>\n<p><iframe loading=\"lazy\" src=\"http:\/\/www.youtube.com\/embed\/_-6hJ8sltdI\" frameborder=\"0\" width=\"560\" height=\"315\"><\/iframe><\/p>\n<p>Die darauffolgende Herausforderung besteht darin, das Plasma zu kontrollieren. Die extrem starken Magnetfelder k\u00f6nnen es &#8222;in der Schwebe&#8220; halten und weiter aufheizen. Allerdings ist die Temperatur und der dauerhafte Beschuss von Neutronen eine unglaubliche Belastung f\u00fcr das Material. Zur Abschirmung werden fliesenartige Schilde &#8211; Blankets &#8211; benutzt mit den Ma\u00dfen 1m x 1,5m und einem Gewicht von je 4,6 Tonnen. Im Iter-Reaktor sind insgesamt 440 Blankets eingeplant. Aufgrund seiner hohen W\u00e4rmekapazit\u00e4t und Dichte wurde\u00a0Beryllium zur Beschichtung der Blankets ausgew\u00e4hlt. Bereits bei den Bremsscheiben des Space-Shuttles hat es gute Dienste geleistet und die ultraharten R\u00f6hren des <a href=\"http:\/\/www.lhc-facts.ch\/\">LHC<\/a> in Cern sind damit verst\u00e4rkt. Der Divertor am Boden des Reaktors hat die gr\u00f6\u00dfte Kontaktfl\u00e4che mit dem Plasma und besteht aus Wolfram, getragen von einer St\u00fctzkonstruktion aus Stahl. Seine Funktion ist die Ableitung der Hitze, mit der Energie erzeugt werden soll, und das Extrahieren der Helium-Asche.<\/p>\n<p>Der Divertor wird, aufgrund seiner Funktion, das Haupt-Verschlei\u00dfteil sein und durch den Teilchenbeschuss radioaktiv. Die verbrauchten Divertoren und abgenutzten Blankets m\u00fcssen dann sicher eingelagert werden, \u00e4hnlich dem Atomm\u00fcll &#8211; aber mit einer deutlich geringeren Halbwertszeit als Uran-Brennstoff. Durch derzeit laufende Werkstoffentwicklungen soll sichergestellt werden, dass der gr\u00f6\u00dfte Teil der aktivierten Anlagenteile, nach Ende der Nutzungsdauer, f\u00fcr lediglich etwa 100\u00a0Jahre kontrolliert gelagert werden muss, bis ein Recycling m\u00f6glich ist; der kleinere Teil muss ungef\u00e4hr 500 Jahre gelagert werden. Eine Endlagerung w\u00e4re somit nicht n\u00f6tig.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h2>Weitere Fusionsreaktoren<strong><br \/>\n<\/strong><\/h2>\n<p><strong><a href=\"http:\/\/www.efda.org\/jet\/jet%E2%80%99s-main-features\/\">JET<\/a><\/strong>\u00a0ist die (noch) gr\u00f6\u00dfte Tokamak-Fusionsanlage und steht in Culham (GB).\u00a0Der Bau begann bereits 1977 und im Jahr 1991 wurde dort die erste kontrollierte Kernfusion der Geschichte, mit einer Leistung von 1,8 Megawatt, erreicht. JET ist zudem der erste Reaktor, der einen Wirkungsgrad von 100% erreichte. Er konnte kurzzeitig genauso viel Energie liefern, wie zuvor investiert wurde. Die durch ihn gewonnenen Erkenntnisse erm\u00f6glichten die Planung eines verbesserten Nachfolgers, ITER.<\/p>\n<p>Am Max-Planck-Institut f\u00fcr Plasmaphysik in Greifswald wird gerade ein Stellarator, der <a href=\"http:\/\/www.ipp.mpg.de\/ippcms\/de\/pr\/forschung\/w7x\/index.html\"><strong>Wendelstein 7-X<\/strong><\/a>, aufgebaut. In dieser Anlage soll ein optimiertes Magnetfeld (erzeugt durch supraleitende Spulen) mit einer St\u00e4rke von 3 Tesla erprobt werden, um das Plasma stabil zu halten. Ziel ist es, dass der Reaktor eine Kraftwerksturbine antreibt und somit Strom erzeugen kann. Noch werden einige Sicherheitsbedenken, in Bezug auf die Strahlungsisolierung, \u00fcberpr\u00fcft. Der Betriebsstart ist dennoch f\u00fcr 2014 geplant.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p>Quellen und weitere Informationen:<br \/>\n<a href=\"http:\/\/www.iter.org\/\">ITER-Projektseite<\/a>\u2502<a href=\"http:\/\/fusionforenergy.europa.eu\/\">F4E<\/a>\u2502Wikipedia\u2502<a href=\"http:\/\/news.sciencemag.org\/scienceinsider\/2013\/01\/after-iter-many-other-obstacles-.html#more\">ScienceMag.org<\/a>\u2502<a href=\"http:\/\/www.ipp.mpg.de\/ippcms\/de\/pr\/forschung\/index.html\">IPP<\/a>\u2502<a href=\"http:\/\/www.efda.org\/jet\/jet%E2%80%99s-main-features\/\">JET<\/a>\u2502<a href=\"http:\/\/www.ftd.de\/politik\/deutschland\/:energiewende-bundesregierung-kappt-geld-fuer-kernfusion\/70091454.html\">Financial Times Deutschland<\/a>\u2502<a href=\"http:\/\/www.youtube.com\/user\/fusionforenergy?feature=watch\">F4E auf Youtube<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Die Energiequelle der Sonne auf der Erde nutzbar zu machen, ist ein alter Traum, dessen Umsetzung bereits in die Wege geleitet ist: Die Vision besteht darin, dass man eine gewisse Menge an Energie aufbringt, um eine gr\u00f6\u00dfere Menge als Gewinn zur\u00fcck zu erhalten. 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