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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. 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.

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 10 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. Die Neutronen geben ihre Energie im (Außenmantel) als Wärme ab, die zur Stromerzeugung genutzt werden soll.

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

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.

Erste Erfolge in der EU und den USA

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. 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. 1997 wurde 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 soll erstmals im zukünftigen internationalen Fusionsreaktor ITER verwirklicht werden, der seit 2007 im südfranzösischen Forschungszentrum errichtet wird. Der Reaktor soll etwa zehnmal so viel Fusionsleistung liefern, wie zur Heizung des Plasmas aufgebracht werden muss.

Alternative Konzepte

Kein anderes Fusionskonzept hat einen Entwicklungsstand erreicht, der aus heutiger Sicht (2019) für eine Stromerzeugung in Betracht kommt.
  • Andere Brennstoffe als Deuterium-Tritium würden noch weit größere technische Schwierigkeiten aufwerfen. Lediglich in Versuchsanlagen zur Plasmaphysik, in denen Energiegewinnung nicht das Ziel ist, wird mit gearbeitet, um die praktische Erschwerung durch das radioaktive Tritium zu vermeiden.
  • Das Konzept des Trägheitseinschlusses befindet sich im Stadium der Grundlagenforschung. Die bestehenden experimentellen Anlagen sind nicht primär auf die Entwicklung von Kraftwerken ausgerichtet und weit von einer kommerziellen Nutzung entfernt. 2021 berichtet das LLNL über die Erzeugung von 1,35 MJ Fusionsenergie nach dem Einsatz von 1,9 MJ Laserenergie.
  • Die kalte Fusion ist nach Ansicht der meisten Wissenschaftler ebenfalls keine mögliche Alternative. Technische Prozesse dieser Art mit der behaupteten Energiefreisetzung sind nach der bekannten Physik nicht möglich.

Liste der Versuchsanlagen

In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Anlagen aufgeführt.

{| class="wikitable"
|-
!
! beendete Experimente
! Anlagen in Betrieb
! Anlagen im Bau
|-
! rowspan="8" | Tokamaks
| Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR)
, USA (1983?97)
| (JET)
,
|
,
|-
| National Spherical Torus Experiment (NSTX)
Princeton University, (1999?2016)
|
,
||-
|
Institut für Plasmaphysik des (1983?2013)
| (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>
||-
! rowspan="5"| 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
||-
|| 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

  • {{Internetquelle
   |autor=Ulrich Samm
   |url=http://www.fz-juelich.de/ief/ief-ste//datapool/Energieplattform/Akademi-Ddorf.pdf
   |titel=Fusion, eine Zukunftsperspektive?
   |hrsg=Institut f�r Plasmaphysik, Forschungszentrum J�lich GmbH
   |datum=2003-07-15
   |archiv-url=https://web.archive.org/web/20070927003131/http://www.fz-juelich.de/ief/ief-ste//datapool/Energieplattform/Akademi-Ddorf.pdf
   |archiv-datum=2007-09-27
   |zugriff=2008-08-03
   |format=PDF
   |kommentar=ITER verst�ndlich erkl�rt}}

  • {{Internetquelle
   |autor=Ralph P. Schorn
   |url=http://www.fz-juelich.de/ief/ief-4/textor/
   |titel=TEXTOR
   |hrsg=Institut f�r Energieforschung, Forschungszentrum J�lich GmbH
   |datum=2003-03-27
   |zugriff=2008-08-03}}

  • {{Internetquelle
   |url=http://www.efda.org/
   |titel=European Fusion Development Agreement
   |datum=2008
   |zugriff=2008-08-03
   |sprache=en}}

Einzelnachweise