Ein '''Kernfusionsreaktor''' oder '''Fusionsreaktor''' ist eine technische Anlage, in der die von als kontrolliert abläuft. Fusionsreaktoren, die zur Stromerzeugung in einem geeignet wären, existieren noch nicht.
Die Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf s und en. Diese Reaktorkonzepte beruhen auf der Technik des . Wenige Gramm des Deuterium-Tritium-Gasgemisches werden in ein luftleeres, viele Kubikmeter großes, förmiges Behältnis eingebracht und auf 100 bis 150 Millionen Kelvin erhitzt. Bei diesen Temperaturen sind en und e voneinander getrennt und bilden ein elektrisch leitendes . Um die torusförmige Plasmakammer sind e angeordnet, die ein Magnetfeld von bis zu 12 Stärke erzeugen. Durch dieses Magnetfeld wird das Plasma in der Kammer so eingeschlossen, dass es die Wände nicht berührt. Bei einem Kontakt mit der Wand würde das Plasma sofort auskühlen und die Reaktion würde zusammenbrechen. Die entspricht dabei einem technischen . Die stark e Kernreaktion erfolgt durch den Zusammenstoß der schnellen Atomkerne. Dabei werden energiereiche en freigesetzt. Im (Außenmantel) wird die Bewegungsenergie der Neutronen in Wärme umgewandelt, die zur Stromerzeugung mittels einer Dampfturbine verwendet wird. Eine zweite Funktion des Blankets, welches deshalb hauptsächlich aus Lithium besteht, ist das Erbrüten von Tritium, das für die Fusion benötigt wird.
Die wichtigsten europäischen Forschungsreaktoren sind die Tokamaks in in und in sowie der Stellarator in . Das zurzeit größte Projekt ist der internationale Forschungsreaktor , ein Tokamak, der seit 2007 in in Südfrankreich im Bau ist.
Potentielle Energiequelle der Zukunft
Mit der Entwicklung von Kernfusionsreaktoren erhofft man sich die Erschließung einer praktisch unerschöpflichen Energiequelle Obwohl dieses Ziel bereits seit den 1960er Jahren verfolgt wird, rückt es wegen hoher technischer Hürden und auch aufgrund unerwarteter physikalischer Phänomene nur langsam näher.
Geschichte
Grundlagenforschung
Bereits während der Entwicklung der legten , und andere Wissenschaftler erste Entwürfe zur Stromerzeugung durch kontrollierte Kernfusion vor. Ein Konzept sah vor, das für die Fusion auf mehrere Millionen Kelvin zu erhitzende Deuterium-Tritium-Plasma mithilfe eines Magnetfelds einzuschließen. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde auf dieser Basis in England das erste zivile Forschungsprogramm zur Nutzung der Kernfusion gestartet. und verfolgten die Idee des ringförmigen Einschlusses des Plasmas weiter. Zur Aufheizung waren hochfrequente elektromagnetische Wellen vorgesehen.
Erste Stellaratoren und Tokamaks
Dieses Konzept wurde in den folgenden Jahren unabhängig voneinander in zwei Varianten in den USA und der Sowjetunion weiterentwickelt. In den USA erarbeitete den ''Stellarator'', dessen Verhalten ab 1951 im Rahmen von und unter anderem an der erforscht wurde.
Zum Einschluss der Teilchen sollte ein Magnetfeld dienen, bei dem Feldlinien für den magnetischen Einschluss jeweils innerhalb ineinander geschachtelter Torusoberflächen verlaufen. Es zeigte sich bald, dass solche n im Stellarator nicht leicht zu erreichen sind. Die theoretischen Grundlagen dafür wurden erst nach und nach entwickelt. Erst gegen Ende des 20. Jahrhunderts konnten die nötigen Berechnungen dank genügend leistungsfähiger Computer durchgeführt werden; dadurch wurde der Bau des Stellarators möglich, der 2015 sein erstes Plasma erzeugt hat.
In den Jahren 1950 und 1951 wurde in der Sowjetunion durch und eine andere Variante des magnetischen Einschlusses erprobt, der ''Tokamak''. wurde das einfachere Tokamak-Design zur Grundlage fast aller nachfolgenden einschlägigen Experimente.
Weitere historische Entwicklung
Die ersten Versuche zur Energiegewinnung aus Kernfusion hatten noch unabhängig voneinander und unter militärischer Geheimhaltung stattgefunden. Im Jahr 1956 brach , der frühere Leiter des sowjetischen Atombomben-Programms, mit einem Fachvortrag im englischen Forschungszentrum die Geheimhaltung. Auf der zweiten internationalen wurden 1958 erstmals eine Offenlegung der Ergebnisse und eine stärkere internationale Zusammenarbeit beschlossen, auch angesichts der großen technologischen Schwierigkeiten.
In Europa wurde 1958 der -Vertrag unterzeichnet, in dem sich zunächst sechs Länder verpflichteten, im Bereich der Kernenergie und Kernforschung zusammenzuarbeiten. 1973 wurde der Bau des (JET) in (Großbritannien) beschlossen, des zurzeit größten Tokamaks. 1983 ging der Reaktor in Betrieb. Wenige Jahre zuvor wurde an dem Tokamak erstmals eine -Geometrie getestet, die es erlaubt Verunreinigungen im Plasma aufgrund Wechselwirkungen mit der Wand deutlich zu reduzieren. Unter diesen Bedingungen wurde an ASDEX auch die sogenannte ''H-Mode'' (High Confinement Mode) entdeckt, ein selbstorganisierendes Operationsregime, das sich durch deutlich erhöhten Energie-Einschluss auszeichnet und das seither in der Mehrheit moderner Fusionsreaktoren ausgenutzt wird.
Am 9. November 1991 konnte am JET erstmals eine nennenswerte Energiemenge aus kontrollierter Kernfusion freigesetzt werden. Ein Deuterium-Tritium-Plasma lieferte zwei Sekunden lang eine Leistung von 1,8 Megawatt. Nachdem auch JET mit einem Divertor ausgestattet worden war, wurde 1997 eine Fusionsleistung von 16 Megawatt erreicht, wobei allerdings 24 Megawatt für die Plasmaheizung erforderlich waren.
Der 2015 fertiggestellte Stellarator arbeitet zunächst nur mit Wasserstoff, später soll auch Deuterium eingesetzt werden. Mit ihm soll der kontinuierliche dauerhafte Plasma-Einschluss ohne Stromfluss im Plasma ? der Hauptvorteil gegenüber Tokamaks ? demonstriert werden. Damit wäre gezeigt, dass sich auch das Stellaratorkonzept grundsätzlich als Fusionskraftwerk eignet.
Die bisherigen Anlagen sind für eine Zündung des Plasmas noch zu klein, sodass das Plasma zu stark auskühlt. Es ist eine bestimmte Mindestgröße des Plasmas nötig, um im Zentrum 10 bis 15 keV (110 bis 170 Mio. Kelvin) zu erreichen, weil bei gegebener Größe das Plasma nur eine bestimmte maximale Gesamtenergie besitzen kann. Eine positive Energiebilanz wurde erstmals 2022 in der (USA) erzielt. Das LLNL verzeichnete die Erzeugung von ca. 3 MJ Fusionsenergie nach dem Einsatz von ca. 2 MJ Laserenergie. Der zukünftige internationale Fusionsreaktor , der seit 2007 im südfranzösischen Forschungszentrum errichtet wird, soll etwa zehnmal so viel Fusionsleistung liefern, wie zur Heizung des Plasmas aufgebracht werden muss. Forscher des ASDEX Upgrade veröffentlichten 2023 Testergebnisse zu einer kompakteren -Anordnung. Dieses neue Konzept bringt mehr Plasma bzw. Energie pro Volumeneinheit unter und hat weitere Vorteile, welche die Kosten einer Tokamak-Anlage verringern könnten.<ref>{{Literatur |Autor=T. Lunt, M. Bernert, D. Brida, P. David, M. Faitsch, O. Pan, D. Stieglitz, U. Stroth, and A. Redl (the ASDEX Upgrade team)|Titel=Compact Radiative Divertor Experiments at ASDEX Upgrade and Their Consequences for a Reactor |Datum=2023-04 |DOI=10.1103/PhysRevLett.130.145102}}</ref>
Alternative Konzepte
Neben Fusion von Deuterium und Tritium in Tokamaks und Stelleratoren wurden weitere Konzepte vorgeschlagen, um mittels Kernfusion in großtechnischem Maßstab Energie zu gewinnen.- Andere Brennstoffkombinationen als Deuterium-Tritium sind im Prinzip physikalisch möglich (z. B. Deuterium-Deuterium, Deuterium-Helium3). Sie hätten den Vorteil leichterer Beschaffbarkeit oder geringerer Strahlenbelastung. Für einen erfolgreichen Betrieb sind mit ihnen allerdings eine erheblich höhere Temperatur und/oder höhere Dichte erforderlich.
- Das Konzept des befindet sich im Stadium der Grundlagenforschung. 2022 berichtet das über die Erzeugung von 3,15 MJ Fusionsenergie aus 2,05 MJ Laserenergie, die das Target erreichte. Zur Erzeugung der Laserenergie wurden 300 MJ an elektrischer Energie benötigt.
- Die ist nach Ansicht der meisten Wissenschaftler keine mögliche Alternative. Die in diesem Zusammenhang behaupteten physikalischen Prozesse der Energiefreisetzung widersprechen dem aktuellen Stand der Physik.
Stromgestehungskosten und Wirtschaftlichkeit
Eine Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Fusionsreaktoren im Vergleich zu konkurrierenden Technologien ist, wie die Nennung von , höchst spekulativ:
Einige Studien gehen davon aus, dass ?die Stromgestehungskosten aus heutiger Sicht eher höher als bei konkurrierenden Technologien liegen werden?<ref> handeln.
Erst nach der Demonstration der technischen Machbarkeit (), beispielsweise mit dem Versuchsreaktor ITER, kann mit Nachfolgereaktoren (im Beispiel mit DEMO) eine Abschätzung der Kosten kommerzieller Kernfusionskraftwerke erfolgen. Für jede Ausführungsform eines Fusionsreaktors ist der Nachweis der Wirtschaftlichkeit der entscheidende Erfolgsfaktor, da dies die Grundvoraussetzung für eine breite Anwendung ist. Die Wirtschaftlichkeit wird dabei im Wesentlichen von den bestimmt. Kritiker der Kernfusion merken hierbei an, ?dass selbst technisch ausgereifte konventionelle Atomkraftwerke heute kaum noch mit der immer billiger werdenden Stromerzeugung aus Wind und Sonne konkurrieren können?. Auch die Speicherung von Strom werde zunehmend billiger. Es stelle sich daher die Frage, ?wie Strom aus Großkraftwerken mit Kosten im zweistelligen Milliardenbereich in fünfzig Jahren günstiger sein soll als solcher aus erneuerbaren Quellen?.
Liste der Versuchsanlagen
In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Anlagen aufgeführt. Siehe auch:
{| class="wikitable"|-
!! beendete Experimente
! Anlagen in Betrieb
! Anlagen im Bau
|-
! rowspan="12"| Tokamaks
| Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR)
, USA (1983?97)
| (JET)
,
|
,
|-
|| National Spherical Torus Experiment (NSTX-U)
(PPPL),
| SPARC
Commonwealth Fusion Systems (CFS), Cambridge, Massachusetts, USA
|-
||
,
||-
|
Institut für Plasmaphysik des (1983?2013)
| DIII-D
</ref>
||-
|| (EAST)
Hefei, China<ref name="MM">Xinhua: </ref>
||-
||
Naka, Japan<ref name="JT60"></ref>
||-
|| (TCV)
, Schweiz
||-
|| Tore Supra/WEST
Cadarache, Frankreich
||-
||
Daejeon, Südkorea
||-
|| HL-2M
Sichuan, China<ref name="HL-2M"></ref>
||-
|| Pegasus III
, Madison, WI, USA
||-
|| ADITYA
Institute for Plasma Research, , India
||-
! rowspan="6"| Stella-
ratoren
|
(1988?2002)
|
| Chinese First Quasi-Axisymmetric Stellarator (CFQS)
Chengdu, China
|-
| (NCSX)
Princeton University, USA (2003?08, Bau nicht fertiggestellt)
|
, , USA
||-
|| (LHD)
Toki (Gifu), Japan
||-
|| Helically Symmetric eXperiment (HSX)
, Madison, WI, USA
||-
|| H-1NF
Canberra, Australien
||-
|| TJ-II
CIEMAT, Madrid, Spanien
||-
! rowspan="4"| Trägheits-
einschluss
(Laserfusion)
|| (NIF)
in , USA
||-
|| OMEGA-Laser, Rochester, USA
||-
|| GEKKO-Laser, Osaka, Japan
||-
||
Le Barp, Südwestfrankreich
||-
! rowspan="3"| ''sonstige''
||
||-
||
||-
|| Dichter Plasma-Fokus ()
|
|}
Literatur
- Uwe Schumacher, Hans Herold, Institut für Plasmaforschung der Universität Stuttgart; in: Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol 24: Nuclear Technology, ''4. Nuclear Fusion.'' S. 823?838.
- Garry McCracken, Peter Stott: ''Fusion ? the Energy of the Universe.'' 2. Auflage. Elsevier, München 2012, ISBN 978-0-12-384656-3 (Eine auch für Laien verständliche Übersicht).
- Weston M. Stacey: ''Fusion. An Introduction to the Physics and Technology of Magnetic Confinement Fusion.'' Wiley-VCH, 2010, ISBN 978-3-527-40967-9, .
- A. A. Harms, K. F. Schoepf, G. H. Miley, D. R. Kingdon: ''Principles of Fusion Energy.'' World Scientific, Singapur 2000, ISBN 981-02-4335-9.
- Jeffrey P. Freidberg: ''Plasma physics and fusion energy.'' Cambridge University Press, 2007, ISBN 978-0-521-85107-7, .
- (PDF; 9 MB).
- A. Bradshaw, T. Hamacher: ''Kernfusion ? Eine nachhaltige Energiequelle der Zukunft.'' In: ''Naturwissenschaftliche Rundschau'' 12/2005, S. 629.
- H.-St. Bosch, A. Bradshaw: ''Kernfusion als Energiequelle der Zukunft.'' In: ''Physikalische Blätter'' 2001, 57(11), S. 55?60.
- Alexander M. Bradshaw (IPP), Reinhard Maschuw (FZK), Gerd Eisenbeiß (FJZ): ''Kernfusion'' (Broschüre der )
Weblinks
Einzelnachweise
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Kernfusionsreaktor aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. Der Artikel kann hier bearbeitet werden.
