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Ein '''Kernfusionsreaktor''' oder '''Fusionsreaktor''' ist eine technische Anlage, in der die Kernfusion von Deuterium und Tritium als thermonukleare Reaktion kontrolliert abläuft. Fusionsreaktoren, die zur Stromerzeugung in einem Fusionskraftwerk 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 aktuell (2019) auf Tokamaks und Stellaratoren. Diese Reaktorkonzepte beruhen auf der Technik des magnetischen Einschlusses. Eine kleine Menge von wenigen Gramm des Deuterium-Tritium-Gasgemisches wird in ein luftleeres, viele Kubikmeter großes, torusförmiges Behältnis eingebracht und auf 100 bis 150 Millionen Grad Celsius erhitzt. Bei diesen Temperaturen sind Elektronen und Atomkerne voneinander getrennt und bilden ein elektrisch leitendes Plasma. Um die torusförmige Plasmakammer sind supraleitende Elektromagnete angeordnet, die ein Magnetfeld von bis zu 10 Tesla 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 Teilchendichte entspricht dabei einem technischen Vakuum. Die stark exotherme Kernreaktion erfolgt durch den Zusammenstoß der schnellen Atomkerne. Dabei werden energiereiche Neutronen freigesetzt. Die Neutronen geben ihre Energie im Blanket (Außenmantel) als Wärme ab, die zur Stromerzeugung genutzt wird.

Die wichtigsten europäischen Forschungsreaktoren sind die Tokamaks JET in Culham in und ASDEX Upgrade in sowie der Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald. Das erfolgversprechendste Projekt ist der internationale Forschungsreaktor ITER, ein Tokamak, der seit 2007 in Cadarache in Südfrankreich im Bau ist. Mit ITER soll gezeigt werden, dass es möglich ist, durch Kernverschmelzung technisch nutzbare Energie zu gewinnen. Die Erzeugung des ersten Wasserstoffplasmas ist für 2025 geplant. Der Betrieb mit einem Deuterium-Tritium-Plasma wird voraussichtlich frühestens ab 2035 erfolgen. Die mit ITER gewonnenen Erkenntnisse sollen die Grundlagen für den Bau des Demonstrationskraftwerks DEMO liefern, das alle Funktionen eines Kraftwerks erfüllen und zehnmal so viel Energie erzeugen soll, wie zum Heizen des Plasmas benötigt wird.

Potentielle Energiequelle der Zukunft

Mit der Entwicklung von Kernfusionsreaktoren erhofft man sich die Erschließung einer praktisch unerschöpflichen Energiequelle Über die Wirtschaftlichkeit kann heute (2018) keine Aussage gemacht werden. Die zukünftig regional geltenden Vor- und Nachteile gegenüber anderen Stromerzeugungsmethoden, die Reaktorbau- oder Importkosten, die Aufwendungen für Finanzierung, Betrieb, Rückbau und Entsorgung radioaktiver Abfälle sowie der dann gültige Strompreis sind nicht verlässlich prognostizierbar.

Geschichte

Grundlagenforschung

Bereits während der Entwicklung der Atombombe legten Edward Teller, Enrico Fermi und andere Wissenschaftler erste Entwürfe zur Stromerzeugung durch kontrollierte Kernfusion vor. Ein Konzept sah vor, das für die Fusion auf mehrere Millionen Grad 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. George Paget Thomson und Moses Blackman 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 Lyman Spitzer den ''Stellarator'', dessen Verhalten ab 1951 im Rahmen von Projekt Matterhorn und Projekt Sherwood 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 Wendelstein 7-X möglich, der 2015 sein erstes Plasma erzeugt hat.

In den Jahren 1950 und 1951 wurde in der Sowjetunion durch Andrei Sacharow und Igor Tamm 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 Igor Wassiljewitsch Kurtschatow, der frühere Leiter des sowjetischen Atombomben-Programms, mit einem Fachvortrag im englischen Forschungszentrum Harwell die Geheimhaltung. Auf der zweiten internationalen Genfer Atomkonferenz wurden 1958 erstmals eine Offenlegung der Ergebnisse und eine stärkere internationale Zusammenarbeit beschlossen, auch angesichts der großen technologischen Schwierigkeiten.

In Europa wurde 1958 der Euratom-Vertrag unterzeichnet, in dem sich zunächst sechs Länder verpflichteten, im Bereich der Kernenergie und Kernforschung zusammenzuarbeiten. 1973 wurde der Bau des Joint European Torus (JET) in Culham (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 Wendelstein 7-X 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, so dass das Plasma zu stark auskühlt. Es ist eine bestimmte Mindestgröße des Plasmas nötig, um im Zentrum 10 bis 15 keV (110?170 Mio. °C) 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 Cadarache errichtet wird..</ref>

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 reinem Deuterium gearbeitet, um die praktische Erschwerung durch das radioaktive Tritium zu vermeiden.
  • Das Konzept des Trägheitseinschlusses befindet sich im Stadium der Grundlagenforschung, ist nicht primär auf die Entwicklung von Kraftwerken ausgerichtet und weit von einer kommerziellen Nutzung entfernt.
  • 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" width="100%"
|-
! width="12%"|
! width="36%"| Beendete Experimente
! width="34%"| Anlagen in Betrieb
! width="18%"| Anlagen im Bau
|-
! rowspan="9"| Tokamaks
|| Joint European Torus (JET) in Culham, England
| ITER in Cadarache, Frankreich
|-
| Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) an der Princeton University, USA (1983?1997)
| National Spherical Torus Experiment (NSTX) an der Princeton University, USA (seit 1999)
||-
|| ASDEX Upgrade am in
||-
| TEXTOR am Institut für Plasmaphysik des (1983?2013)
||
|-
|| Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) in Hefei, China<ref name="MM">Xinhua: </ref>
||-
|| JT-60 in Naka, Japan<ref name="JT60"></ref>
||-
|| (TCV) der , Schweiz
||-
|| Tore Supra/WEST in Cadarache, Frankreich
||-
|| KSTAR in Daejeon, Südkorea
||-
! rowspan="6"| Stellaratoren
| Wendelstein 7-AS in (1988?2002)
| Wendelstein 7-X in Greifswald
||-
| National Compact Stellarator Experiment (NCSX) an der Princeton University, USA (2003?2008, Bau nicht fertiggestellt)
||
|-
|| Columbia Non-Neutral Torus an der Columbia University in New York, USA
||-
|| Large Helical Device (LHD) in Toki (Gifu), Japan
||-
|| H-1NF in Canberra, Australien
||-
|| TJ-II am CIEMAT in Madrid, Spanien
||-
! rowspan="3"| Trägheitseinschluss
(Laserfusion)
|| National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore (Kalifornien), USA
||-
|| National Laser Users' Facility (NLUF)
||-
|| in Le Barp, Südwestfrankreich
||-
! rowspan="4"| Sonstige
|| Z-Maschine
||-
|| Polywell
||-
|| Dense Plasma Focus
||-
|| ECRIS driven neutronless Fusion
|

|}

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 Helmholtz-Gemeinschaft)

Weblinks

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  • {{Internetquelle

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

  • weltderphysik.de

Einzelnachweise