Wie die Kernfusion die Energieprobleme der Menschheit lösen könnte! Blog#90

Die Welt sucht verzweifelt nach einer nachhaltigen Quelle sauberer Energie, um die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe verursachte Klimakrise zu mildern. Die Kernfusion, die Verschmelzung leichter Atomkerne, stellt eine vielversprechende Lösung für die Energieprobleme der Menschheit dar. Diese Form der Energiegewinnung basiert auf nahezu unerschöpflichen Quellen, da die Brennstoffe Deuterium und Tritium in beinahe unbegrenzter Menge auf der Erde verfügbar sind. Kernfusion ist nicht nur umweltfreundlich, da sie keine Treibhausgase emittiert, sondern auch sicherer als Kernspaltung, da sie keine kritischen radioaktiven Abfälle erzeugt und das Risiko eines nuklearen Unfalls nicht existiert.

Allerdings haben verschiedene technische Herausforderungen den Bau und Betrieb eines Fusionsreaktors bisher vereitelt. Sobald diese Hindernisse überwunden sind, wird eine neue Ära der Energieerzeugung beginnen.

Dass die Kernfusion tatsächlich funktioniert, erleben wir alle jeden Tag: Unsere Sonne praktiziert diese beeindruckende Technologie seit Jahrmilliarden in ihrem Inneren. Dort verschmelzen Wasserstoffkerne zu Heliumkernen, wobei Energie freigesetzt wird, da die entstehenden Heliumkerne leichter sind als die ursprünglichen Wasserstoffkerne. Das sichtbare Resultat für uns ist das Strahlen der Sonne. 

Wie funktioniert ein Fusionsreaktor?

Ein Fusionsreaktor basiert auf dem Prinzip der Kernfusion, bei dem leichte Atomkerne zu einem schwereren Kern verschmelzen und dabei Energie freisetzen. Das Hauptziel ist es, eine vergleichbare Reaktion nachzubilden, die die Sonne antreibt.

Hier einige Details im Überblick:

• Brennstoff: Der Reaktor verwendet Deuterium (D) und Tritium (T), isotope Formen des Wasserstoff, als Brennstoff. Diese sind leicht verfügbar und weisen im Vergleich zu einfachem Wasserstoff (H) niedrigere Aktivierungsenergien für die Fusion auf. Das bedeutet, dass sie bei niedrigeren Temperaturen miteinander fusionieren können, was die technologische Umsetzung erleichtert. Deuterium kommt natürlicherweise in Wasser vor, während Tritium in den erforderlichen Mengen durch den Kontakt von Lithium mit Neutronen im Reaktor erzeugt werden kann. 
• Erzeugung von extremen Bedingungen: Um die Fusion zu ermöglichen, werden extrem hohe Temperaturen benötigt. Dies wird durch starke Magnetfelder oder Laser erreicht, die den Brennstoff aufheizen und komprimieren. Das entstehende "Plasma" muss auch unter hohem Druck gehalten werden. Damit eine Kernfusion entsprechend der Einsteinschen Formel E = mc2 Materie in Energie umwandeln kann, muss die Masse der beiden fusionierenden Kerne zusammen größer sein als die Masse der entstehenden Kerne und Teilchen. Diese Massendifferenz wird in Energie umgewandelt. Besonders groß ist die Massendifferenz, wenn sich Helium-4 aus Isotopen des Wasserstoffs bildet. Bei diesen ist zudem die vor der Fusion zu überwindende elektrische Abstoßung am kleinsten, weil sie nur je eine einzige Elementarladung tragen. Als Fusionsbrennstoff ist deshalb ein Gemisch aus gleichen Anteilen Deuterium (D) und Tritium (T) vorgesehen: 
• Fusionsreaktion (D + T —> 4He + n + 17,6 MeV): Damit diese Fusionsreaktion selbstständig abläuft, muss eine Temperatur von ca. 150 Mio. K und ein Druck von einigen Bar erzeugt werden. Die Umsetzung von einem Gramm Deuterium-Tritium-Gemisch in einem Kernfusionsreaktor würde eine thermische Energie von rund 100 Megawattstunden (MWh) liefern. 
• Energiegewinnung: Die freigesetzte Energie wird in Form von Wärme umgewandelt. Diese Wärme wird dann verwendet, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen. Der erzeugte Dampf treibt schließlich Turbinen an, die Generatoren antreiben und elektrische Energie erzeugen. 

Vorteile eines Fusionskraftwerkes

Ein Fusionskraftwerk ist geeignet für Grundlast/Ausregelung, da es nicht vom Wetter abhängig, und äußerst effizient ist: Ein Kilogramm Fusionsbrennstoff liefert die gleiche Energiemenge wie 10 Millionen Kilogramm fossile Brennstoffe!

Es ist eine nachhaltige Energiequelle: Deuterium kann aus Meerwasser gewonnen werden, Tritium wird im inneren Brennstoffkreislauf aus 6Li gewonnen. Die Vorräte der für den Betrieb notwendigen Brennstoffe reichen aus, um den weltweiten Primärenergiebedarf für mehr als 20 Millionen Jahre zu decken.

Zudem ist es umweltschonend und sicher: Es entstehen keine Kohlendioxid-Emissionen, und das einzige Nebenprodukt der Reaktion ist Helium, ein inertes Gas, das ohne Schaden für die Umwelt freigesetzt werden kann. Es kann keine unkontrollierte Kettenreaktion stattfinden, und eine Kernschmelze ist nicht möglich. Zwar entsteht radioaktiver Abfall in den Strukturmaterialien, jedoch besitzen diese kurze Halbwertszeiten, im Bereich von Jahren, und daher ist keine Endlagerung erforderlich (zum Vergleich: hochradioaktiver Abfall aus Kernkraftwerken muss für viele Jahrtausende gelagert werden).

Wichtig zu verstehen ist: Die Kernfusion sollte nicht mit der Kernspaltung verwechselt werden! Es handelt sich hierbei um grundsätzlich andere Prozesse, und die Kernfusion ist ein viel sichereres und saubereres Verfahren im Vergleich zur Kernspaltung. 

Welche Herausforderungen gibt es und wann werden Fusionsreaktoren wirtschaftlich nutzbare Energie liefern?

Die technische Umsetzung von Fusionsreaktionen gestaltet sich schwierig: Die Auslösung der Kernfusion erfordert extrem hohe Temperaturen, und Materialien mussten erst entwickelt werden, die unter den extremen Bedingungen ausreichend stabil sind. In den letzten Jahren wurden jedoch erstaunliche Fortschritte erzielt, und es sollte daher nur eine Frage der Zeit und der Ressourcen sein, bis wirtschaftlich verwertbare Fusionsreaktoren verfügbar sind.

Die internationale Gemeinschaft investiert erhebliche Ressourcen in die Forschung und Entwicklung von Fusionsreaktoren, insbesondere im Rahmen von Projekten wie ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). ITER hat das Hauptziel, die Machbarkeit der Kernfusion als Energiequelle zu demonstrieren. Es soll eine Plattform bieten, um die technischen Herausforderungen der Kernfusion zu verstehen und zu überwinden. Das ITER-Projekt ist eine Kooperation von 35 Ländern, darunter die Europäische Union, die USA, Russland, China, Indien, Japan und Südkorea. Der Hauptreaktor wird in Cadarache, Frankreich, gebaut.

Das Projekt zielt darauf ab, dass die teilnehmenden Länder gemeinsam durch „in-kind“-Leistungen zum Aufbau des Fusionsreaktors beitragen. Dies fördert die internationale Zusammenarbeit und dient möglicherweise auch, wie erhofft, als „Friedensprojekt“. Allerdings wird das Projekt dadurch auch ineffizient, langsam und unnötig teuer. Man könnte dies mit einem Autohersteller vergleichen, der für ein neues Auto 4 Räder und Hunderte von Motorenteile benötigt. Diese werden von 35 verschiedenen und unabhängigen Partnern aus vier Kontinenten bezogen, und es wird dann darauf gehofft, dass alles problemlos zusammenpasst und optimal funktioniert. 

In den letzten 5 Jahren wurden erhebliche Geldmittel auch in private Fusions-"Start-Ups" investiert. Diese Unternehmen streben mit höherer Risikobereitschaft und Geschwindigkeit an, Fusionstechnologien zur Marktreife zu entwickeln.

Die Mehrheit der Experten ist sich einig, dass es bis spätestens Mitte des Jahrhunderts möglich sein wird, in großem Maßstab Energie aus der Kernfusion zu gewinnen. Diese Fusionskraftwerke könnten dann maßgeblich dazu beitragen, die Energieprobleme der Menschheit nachhaltig und umweltfreundlich zu lösen.

Last but not least, kann ich jedem Interessierten die Vorlesung von Hartmut Zohm zum Thema „Aktueller Stand und Zukunft der Fusionsenergie: Stellarator & Tokamak“ sehr empfehlen: [LINK].

_______________________________________________________________________________

Verantwortlicher: Klaus Rudolf; Kommentare und Fragen bitte an: rudolfklausblog@gmail.com
Auf diesem Blog teile ich meine persönlichen Meinungen und Erfahrungen. Es ist wichtig zu betonen, dass ich weder Arzt noch Finanzberater bin. Jegliche Informationen, die ich in meinem Blog vorstelle, stellen weder Anlageempfehlungen noch Therapieempfehlungen dar. Für fundierte Entscheidungen in Bezug auf Gesundheitsfragen oder Finanzanlagen empfehle ich, sich umfassend zu informieren und bei Bedarf einen professioniellen Experten zu konsultieren.

________________________________________________________________________________