Startschuss für Fusionsreaktor - Sonnenfeuer auf Erden

Dieses Thema im Forum "Netzwelt" wurde erstellt von Melcos, 22. November 2006 .

Schlagworte:
  1. Diese Seite verwendet Cookies. Wenn du dich weiterhin auf dieser Seite aufhältst, akzeptierst du unseren Einsatz von Cookies. Weitere Informationen
  1. #1 22. November 2006
    Startschuss für Fusionsreaktor

    Vertreter von insgesamt sieben Staaten haben gestern in Paris einen Vertrag über die Gründung der für den Bau und Betrieb des internationalen Fusionstestreaktors ITER verantwortlichen Organisation unterzeichnet. Der 500-Megawatt-Experimentalreaktor ITER (lateinisch: der Weg), der in Cadarache in Südfrankreich gebaut wird, soll zeigen, dass ein Energie lieferndes Fusionsfeuer unter kraftwerksähnlichen Bedingungen möglich ist.

    Die politischen Verhandlungen um das rund zwölf Milliarden Euro teure Experiment laufen seit 1988. 2003 schlossen sich dem Projekt China und Südkorea an; auch die – zwischenzeitlich ausgescherten – USA kehrten in die Zusammenarbeit zurück. 2005 kam als siebter Partner Indien hinzu. Deutschland wird sich in den nächsten zehn Jahren mit etwa 500 bis 600 Millionen Euro an den Baukosten von ITER beteiligen.

    Das technische Konzept stammt bereits aus dem Jahre 1952 und wurde von dem russischen Physiker Andrej Sacharow mit seinem Kollegen Igor Tamm entwickelt: eine reifenförmige Reaktionskammer, in der Magneten ein Gemisch aus Deuterium und Tritium einschließen, während starke Ströme das vollständig ionisierte Gas – im Fachjargon Plasma genannt – so weit aufheizen, dass Deuterium und Tritium schließlich zu Helium verschmelzen. Dabei wird reichlich Energie frei: Ein Kilo Wasserstoff verschmolzen zu Helium liefert so viel Energie, als würde man 11.000 Tonnen Steinkohle verheizen oder vier Kilogramm Uran spalten. Ließe sich die nukleare Fusion in Kraftwerken bändigen, wäre der Energiehunger der Menschheit bis auf weiteres gestillt.

    Noch im selben Jahrzehnt entstanden in der Sowjetunion erste Prototypen des "Tokamaks" (ein russisches Kunstwort aus Toroidalnaya Kamera Magnitnaya Katuschka, frei übersetzt: toroidale Kammer, magnetische Spule). In den 60er Jahren griffen Amerikaner ebenso wie Europäer das Tokamak-Prinzip auf. Das ehrgeizigste Projekt ging 1983 im englischen Culham in Betrieb: "Jet", der "Joint European Torus", hat einen Durchmesser von sechs Metern und schaffte am 9. November 1991 erstmals die Kernfusion: Zwei Sekunden lang verschmolz Wasserstoff zu Helium – die Machbarkeit der kontrollierten Kernverschmelzung war bewiesen.

    Doch um ein Fusionskraftwerk dauerhaft zu betreiben, müssen noch diverse technische Herausforderungen bewältigt werden: So beschäftigt die Forscher vor allem der stabile Einschluss des Plasmas in die Magnetfelder, denn Turbulenzen und Wellen innerhalb des Plasmas sorgen dafür, dass immer wieder hochenergetische Teilchen auf die Wände der Magnetkammer prallen. Diese Wände müssen bis zu 20 Megawatt pro Quadratmeter Wärmeenergie aufnehmen und dürfen dabei das Plasma nicht verunreinigen – zurzeit ist noch nicht klar, welche Beschichtung dafür am besten geeignet ist. Auch für den Mechanismus, der das Plasma aufheizen soll, kommen mehrere Kandidaten in Frage.

    Bevor nach der Unterzeichnung der Vertrag endgültig in Kraft tritt, muss er noch durch die Regierungen der Partner ratifiziert werden, was im Laufe des kommenden Jahres geschehen soll. In der Zwischenzeit kann die ITER-Organisation jedoch bereits als "vorläufiges Rechtssubjekt" tätig werden – die Bauvorbereitungen für ITER können damit im nächsten Jahr beginnen.

    Quelle: heise.de

    --------------------

    Sonnenfeuer auf Erden
    Technology Review 11/2004, Report

    Das wird einmal unser Kontrollraum. Von hier aus werden wir die Maschine steuern." Thomas Klinger hat sich einen der fabrikneuen Bürosessel geschnappt. Um ihn herum warten runde Tische und die in Plastik verpackten Stühle auf ihre Bestimmung; ansonsten ist der Saal noch ziemlich leer. "Aber wenn die Anlage erst mal läuft, ist es wie Houston Control", frohlockt Klinger. "Überall Bildschirme, an allen Ecken brummt und summt es. Dann ist hier richtig was los."

    2010 wollen Klinger und seine Kollegen vom Max-Planck- Institut für Plasmaphysik (IPP) mit ihrer Maschine im vorpommerschen Greifswald durchstarten. Das Experiment heißt "Wendelstein 7-X" und soll helfen, eine jahrzehntealte Vision in die Tat umzusetzen: die kontrollierte Verschmelzung von Atomkernen, um im großen Maßstab Strom zu erzeugen. Die Kernfusion ist jene Energiequelle, die Sterne leuchten und Sonnen scheinen lässt. Voraussetzung sind die Extrembedingungen, die im Sterninneren herrschen: 15 Millionen Grad Hitze, der Druck erreicht Werte bis zu 300 Milliarden Atmosphären. In diesem Höllenfeuer kommen sich die Atomkerne so nahe, dass sie die elektrische Abstoßung zwischen ihnen überwinden und zu größeren Kernen verschmelzen.

    Dabei wird reichlich Energie frei: Ein Kilo Wasserstoff verschmolzen zu Helium liefert so viel Energie, als würde man 11 000 Tonnen Steinkohle verheizen oder vier Kilogramm Uran spalten. Ließe sich die nukleare Fusion in Kraftwerken bändigen, wäre der Energiehunger der Menschheit bis auf weiteres gestillt. "Die Brennstoffe sind praktisch unerschöpflich und de facto kostenlos", schwärmt IPP-Direktor Klinger. "Mit dem Inhalt von drei Flaschen Mineralwasser und zwei Feldsteinen ließe sich eine vierköpfige Familie ein Jahr lang mit Energie versorgen." Aus dem Wasser zentrifugieren die Experten Deuterium, also schweren Wasserstoff. Die Feldsteine enthalten Lithium, den Ausgangsstoff für Tritium (überschweren Wasserstoff). Unter geeigneten Bedingungen verschmelzen Deuterium und Tritium zu Helium sowie zu schnellen Neutronen.

    In ungezügelter Form beherrscht die Menschheit die Kernfusion seit dem 1. November 1952. Damals explodierte auf der Marshall-Insel Elugelab die erste Wasserstoffbombe, gezündet von den US-Militärs. "Mike" war gut 60 Tonnen schwer, versenkte die Insel im Meer und riss einen 800 Meter tiefen und drei Kilometer großen Krater ins Riff. Schon während der Entwicklung der H-Bombe machten sich Physiker wie Edward Teller und Enrico Fermi Gedanken, ob sich der Prozess nicht auch zähmen und zur Stromerzeugung nutzen ließe.

    Das viel versprechendste Konzept entwickelte 1952 der russische Physiker und spätere Bürgerrechtler Andrej Sacharow mit seinem Kollegen Igor Tamm: eine reifenförmige Reaktionskammer, in der wuchtige Magneten das Gemisch aus Deuterium und Tritium einschließen, während starke Ströme das vollständig ionisierte Gas - im Fachjargon Plasma genannt –- aufheizen. Noch im selben Jahrzehnt entstanden in der Sowjetunion erste Prototypen des "Tokamaks" (ein russisches Kunstwort aus Toroidalnaya Kamera Magnitnaya Katuschka, frei übersetzt: toroidale Kammer, magnetische Spule). In den 60er Jahren griffen Amerikaner wie Europäer das Tokamak-Prinzip auf. Das ehrgeizigste Projekt ging 1983 im englischen Culham in Betrieb: "Jet", der "Joint European Torus", hat einen Durchmesser von sechs Metern und schaffte am 9. November 1991 erstmals die Kernfusion: Zwei Sekunden lang verschmolz Wasserstoff zu Helium -- die Machbarkeit der kontrollierten Kernverschmelzung war bewiesen. Sechs Jahre später erreichte der metallene Ringreifen sogar eine Fusionsleistung von 16 Megawatt. Immerhin 65 Prozent der hineingesteckten Heizleistung wurden per Fusion zurückgewonnen – ein Weltrekord.

    Das Ziel aber war damit noch nicht erreicht: ein Plasma, das sich zu einem lodernden, energiespendenden Fusionsfeuer entzündet und nicht weiter von außen geheizt werden muss. In Jet flackerte das Nuklearfeuer zwar kurz auf. Richtig gezündet hatte es aber noch nicht. Das extrem heiße Plasma zu beherrschen hat sich im Laufe der Zeit nämlich als technisch höchst anspruchsvolles Unterfangen erwiesen. Gewaltige Drücke wie im Sonneninneren lassen sich in einem irdischen Labor nicht erreichen. Stattdessen versuchen die Forscher, ein Wasserstoffgas, dessen Dichte rund 250 000 Mal geringer ist als die der Erdatmosphäre, auf Temperaturen von 100 Millionen Grad zu bringen –- rund sieben Mal höhere Temperaturen, als sie im Zentrum der Sonne herrschen.

    Die dafür notwendige Heizung findet sich im Keller der Wendelstein-Halle in Greifswald. IPP-Mitarbeiter Volker Erckmann zeigt auf ein gut mannshohes Gebilde, das anmutet wie das Modell einer Mondlandefähre. "Ein Mikrowellensender", erläutert der Physiker. "In ihm zwingt ein starker Magnet Elektronen auf eine Spiralbahn; die kreisenden Elektronen strahlen starke Mikrowellen ab." Zur Wendelstein- Reaktionskammer werden die Strahlen dereinst durch einen Betonkanal kommen, gelenkt von wassergekühlten Kupferspiegeln. "Mit seiner Leistung von einem Megawatt ist er 1000 Mal stärker als die Mikrowelle in der Küche", sagt Erckmann. Zwei dieser Supersender stehen bereits in Greifswald. Bis 2007 sollen es zehn sein; gemeinsam bringen sie es auf den Energieverbrauch einer Kleinstadt. Doch Erckmanns Sender sind nicht die einzigen Heizquellen. Kleine Beschleuniger schießen Teilchensalven in die Kammer und geben dem Plasma einen zusätzlichen Kick. Andere Experimente schicken zudem starke elektrische Ströme durch das Wasserstoffgemisch und heizen es auf wie der Drehstrom die Herdplatte.

    Temperaturen von 100 Millionen Grad muss das Plasma erreichen. Doch das ist nicht einmal das Hauptproblem, sagt Thomas Klinger. "Die Kunst besteht darin, das heiße Gas zusammenzuhalten; wie ein wildes Tier will es ungern eingeschlossen sein." Insbesondere neigt das Plasma dazu, in die Richtung auszubüchsen, in der es gerade den geringsten Widerstand verspürt. Um das Plasma zu bändigen, halten die Wissenschaftler mit passend geformten Magnetfeldern dagegen. Zudem erzeugen sie gezielt Ströme im Gas, die die Instabilitäten quasi von innen auslöschen. Einem Phänomen jedoch stehen die Experten fast machtlos gegenüber: Das magnetisch eingekerkerte Höllenfeuer gibt zu allen Seiten Energie in Form von Strahlung ab. Gegen solche Verluste hilft nur schiere Größe: Ebenso wie eine Badewanne voll mit heißem Wasser viel langsamer auskühlt als eine Tasse Kaffee, sind die Wärmeeinbußen bei einem voluminösen Fusionsreifen deutlich geringer als bei einem kleinen.

    Neben Projekten wie Wendelstein plant die weltweite Gemeinschaft der Fusionsforscher deshalb noch den Bau eines weitaus größer dimensionierten Versuchsreaktors. "Iter", der "Internationale Thermonukleare Experimental-Reaktor", soll der künstlichen Kernfusion nach nunmehr 50 Jahren Grundlagenforschung zum definitiven Durchbruch verhelfen. Diskutiert wurde das Megavorhaben bereits von Michail Gorbatschow und Ronald Reagan während ihres Genfer Gipfels im November 1985. Sieben Jahre später gaben Europa, Russland, die USA und Japan die konkrete Entwicklung in Auftrag. Erstmals soll das Plasma aus Deuterium und Tritium zünden, soll über mehrere Minuten ohne Heizung brennen und in dieser Zeit deutlich mehr Energie produzieren als hinein- gesteckt werden muss. "Damit wäre gezeigt, dass die Kernfusion zur Energiegewinnung taugt", betont IPP-Chef Alexander Bradshaw von der Institutszentrale in Garching bei München. "Das ist der entscheidende Schritt auf dem Weg zu einem Kraftwerk."

    Im Jahr 1998 präsentierten die Physiker ihre Konstruktionspläne für einen Reaktor zum Preis von rund 6,5 Milliarden Euro. Doch die Politik spielte nicht mit. Die Amerikaner zogen sich vorübergehend ganz aus dem Projekt zurück; den übrigen Ländern war das Experiment zu teuer. Zähneknirschend machten sich die Forscher daran, den Rotstift anzusetzen -- und legten im Juli 2001 die Blaupausen für einen abgespeckten Iter vor. Der Durchmesser des Reaktorreifens war von 16 auf 12 Meter, die Leistung von 1500 auf 500 Megawatt geschrumpft. Das nukleare Plasmafeuer von Iter sollte statt einer Viertelstunde jetzt nur noch fünf Minuten lang lodern.

    Zwar wollen die mittlerweile sechs Partner des Iter-Konsortiums den Riesen-Tokamak nun definitiv bauen -- zu einem Preis von rund fünf Milliarden Euro. Auf einen Standort aber können sich die Parteien bislang nicht einigen. Sowohl Cadarache in Südfrankreich als auch das japanische Rokkasho würden das Prestigeprojekt liebend gern beherbergen. "Seit Ende 2003 herrscht ein Patt", seufzt Alexander Bradshaw. Südkorea und die USA unterstützen den japanischen Standort, China und Russland den europäischen. "Sollte sich die Standortfrage noch in diesem Jahr klären, könnte der Iter-Vertrag 2005 unterzeichnet werden", hofft Bradshaw. "Die Bauarbeiten würden 2006 beginnen, die Experimente frühestens 2015." Mit dem Reaktor wollen die Forscher dann den physikalischen Benimm eines brennenden Plasmas studieren und die nötige Technologie für ein späteres Kraftwerk entwickeln.

    Genau hier lauern vermutlich die größten Hürden. So müssen die Fachleute abwarten, wie gut das Erbrüten des Tritiums aus dem Lithium in den so genannten Blankets funktioniert. Außerdem entstehen bei der Kernverschmelzung Heerscharen von schnellen Neutronen, die aus dem Magnetkäfig herausfliegen und ihre Energie über einen Wärmetauscher an eine Stromturbine übertragen. "Für die Reaktorwand brauchen wir Stähle, die dem Neutronenbombardement möglichst lange standhalten", sagt Bradshaw. "Schließlich wollen wir nicht alle paar Monate die Wand auswechseln." Die Herausforderung: Zum einen müssen die Materialien eine gewaltige Wärmelast ertragen. Zum anderen werden sie im Laufe der Zeit "aktiviert": Einige der Neutronen lagern sich an die Atomkerne des Wandmaterials an und verwandeln diese in radioaktive Isotope. Also suchen die Wissenschaftler nach speziellen Stahllegierungen, etwa mit möglichst geringem Kobaltgehalt, denn gerade Kobalt wird unter der Neutronendusche zum ausgeprägten Strahler.

    Doch auch optimierte, kobaltarme Stähle werden in einem Fusionsreaktor im Laufe der Zeit radioaktiv. "Man wird sie 100 bis 200 Jahre zwischenlagern müssen, dann ist die Aktivität abgeklungen", sagt Bradshaw. "Verglichen mit der Kernspaltung, bei der der nukleare Abfall zigtausende von Jahren strahlt, ist das aber sehr wenig." Alle ein bis zwei Jahre, so schätzen die Experten, werden Roboter die radioaktiv gewordenen Wandsegmente in einem Kraftwerk austauschen müssen.

    Um derlei Details braucht sich Thomas Klinger in der IPPZweigstelle Greifswald nicht zu kümmern. Sein "Wendelstein"- Experiment soll vor allem der Grundlagenforschung dienen. Noch ist die Versuchshalle ziemlich leer. "Demnächst kommt das Stahlgerüst, auf das die Module aufgesetzt werden", erzählt Klinger. Er klopft gegen ein Edelstahlgebilde, das aussieht wie ein überdimensionales verbeultes Ofenrohr: "Hier sehen Sie ein Zehntel des Vakuumgefäßes." Über dieses Gefäß müssen die Fachleute akribisch die Spulendrähte fädeln. Danach werden die sechs Tonnen schweren Elemente zu einem gewendelten Schlauch zusammengesetzt, zwölf Meter im Durchmesser und so hoch, dass man bequem darin stehen kann. Mit Investitionskosten von 300 Millionen Euro wird Wendelstein das teuerste Fusionsexperiment auf deutschem Boden -- und zugleich der weltweit größte "Stellarator" (von lateinisch Stella, der Stern). Er unterscheidet sich von einem Tokamak wie Iter durch den Aufbau des Magnetkäfigs: Beim Stellarator ist der Käfig wesentlich komplizierter, seine Spulen haben eine "gewendelte" Form, wie ein verdrehter Schlauch, aufwendig errechnet von Supercomputern.

    Der Vorteil einer solchen Anordnung: Im Gegensatz zu einem Tokamak eignet sich der Stellarator für den Dauerbetrieb. Ein Tokamak nämlich basiert darauf, dass seine Magnetspulen im heißen Plasma einen elektrischen Strom induzieren; erst dadurch baut sich der Käfig für das Plasma vollständig auf. "Wie bei einem Trafo muss man das Magnetfeld dazu immer wieder hoch- und herunterfahren", erläutert Klinger. "Deshalb kann der Tokamak nur im Pulsbetrieb arbeiten." Der Stellarator hingegen ist eine "Gleichstrommaschine": Sein Magnetkäfig funktioniert auch ohne Plasmastrom.

    Ein Plasma zünden wird Wendelstein jedoch nicht. Dazu ist er schlicht zu klein. "Wir wollen mit der Anlage zeigen, dass das Prinzip des Stellarators für einen Fusionsreaktor taugt", sagt Klinger. Das Kalkül: Wenn um das Jahr 2025 handfeste Ergebnisse von Wendelstein sowie von Iter vorliegen, könnte sich herausstellen, dass der Stellarator eher für ein Kraftwerk geeignet ist als der bislang von vielen favorisierte Tokamak.

    Allerdings legen sich auch die Tokamak-Befürworter ins Zeug. Sie basteln an einer verbesserten Version des Ringreifen- Prinzips, "Advanced Tokamak" genannt. So verkündete ein IPP-Team aus Garching im letzten Mai, sie hätten an ihrem Experimental-Tokamak ASDEX Upgrade einen besseren Plasmazustand entwickelt: Indem die Forscher schnelle Wasserstoffatome in bestimmte Bereiche des Plasmas feuern, können sie gezielt elektrische Ströme im Gasgemisch erzeugen und so die Wärmeisolation des Plasmas erheblich verbessern. Nun hoffen die Experten, den neuen Betriebsmodus auch bei Iter einsetzen zu können. Der Effekt wäre deutlich: Statt der angestrebten 400 bis 500 Megawatt wäre Iter in der Lage, mehr als 800 Megawatt Leistung zu liefern. Und ein späteres Fusionskraftwerk könnte man mit der verbesserten Tokamak- Version womöglich kleiner bauen als bisher angenommen.

    Der Fahrplan für die Reise zur Kernfusion steht -- zumindest in den Köpfen der Forscher. "Wenn wir die Ergebnisse von Iter und Wendelstein haben, könnten wir etwa im Jahre 2030 ein Demonstrationskraftwerk bauen", schätzt Bradshaw. Mit diesem als "Demo" betitelten Prototyp wollen die Forscher technische Details verbessern, neutronenbeständige Materialien finden und die Wirtschaftlichkeit der neuen Energieform beweisen. "Iter ist rein öffentlich finanziert", sagt Bradshaw. "Aber ich könnte mir gut vorstellen, dass sich an Demo bereits die Industrie beteiligt." Um das Jahr 2050 wird dann, wenn alles glatt läuft, der erste kommerzielle Reaktor ans Netz gehen. "Mittlerweile wissen wir mit ziemlicher Sicherheit, wie ein künftiges Fusionskraftwerk auszusehen hat", sagt Bradshaw.

    Demnach wird es vor allem an der Wirtschaftlichkeit hängen, ob sich die kontrollierte Kernverschmelzung eines Tages durchsetzt. Auf das derzeitige Preisgefüge bezogen darf der künftige Gigawatt-Fusionsreaktor nicht viel mehr als zwei Milliarden Euro kosten. Unter dieser Voraussetzung wäre die Kilowattstunde aus der Fusion zwar immer noch drei Mal so teuer wie heute Strom aus Kohle oder Öl, haben die IPP-Experten errechnet. Doch der Preis von fossilen Brennstoffen werde in Zukunft drastisch steigen, prognostiziert Bradshaw. "Ich bin davon überzeugt, dass wir in einigen Jahrzehnten konkurrenzfähig sind."

    Frank Grotelüschen, Wissenschaftsjournalist und gelernter Physiker, ist seit zehn Jahren der Kernfusion auf der Spur

    Quelle: Technology Review
     

  2. Anzeige
    Dealz: stark reduzierte Angebote finden.
  3. #2 22. November 2006
    AW: Startschuss für Fusionsreaktor - Sonnenfeuer auf Erden

    also werden wir in den nächsten Jahren noch mehr energie verbrauchen, dadurch wird sich das weltklima noch mehr dramatiesiren........wenns überhabt so weit kommt
     
  4. #3 23. November 2006
    AW: Startschuss für Fusionsreaktor - Sonnenfeuer auf Erden

    Das kann man so nicht sagen, dass wir mehr Energie verbrauchen werden.

    Ich denke mal, du kennst CERN (Schweiz) und die haben ein paar ziemlich große Partikelbeschleuniger und die können die ja letztendlich auch mit Strom versorgen.
    Außerdem hat Frankreich fast nur AKW's, womit die Ozon-Schicht relativ wenig belastet wird.
     

  5. Videos zum Thema
Die Seite wird geladen...
Similar Threads - Startschuss Fusionsreaktor Sonnenfeuer
  1. Antworten:
    1
    Aufrufe:
    610
  2. Antworten:
    18
    Aufrufe:
    1.153
  3. Antworten:
    13
    Aufrufe:
    599
  4. Antworten:
    0
    Aufrufe:
    270
  • Annonce

  • Annonce