Bahm, W.

Janeschitz, G.

KITopen

Der Weltenergiebedarf wird heutezu etwa neunzig Prozent aus fos-silen Energiequellen gedeckt. So-wohl die begrenzte Reichweitevon Kohle, Öl und Erdgas alsauch drohende Klimaschäden er-fordern langfristig neue Versor-gungsstrategien. Hinzu kommendie schnell wachsende Erdbevöl-kerung sowie die sich abzeich-nende industrielle Entwicklungvon Schwellenländern, sodassheutige Prognosen weltweit voneinem Zuwachs des Energiever-brauchs um den Faktor 2 bis 4zum Ende dieses Jahrhundertsausgehen. Die Kernfusion bietet die Optioneiner zukünftigen Energieversor-gung, die sich durch praktischunbegrenzte Brennstoffreservensowie günstige Sicherheitseigen-schaften und geringe Umweltbe-lastungen auszeichnet. Sie ist be-sonders für die Versorgung vonBallungszentren geeignet undkann im Verbund mit erneuerba-ren Energiequellen, die sich auf-grund kleiner Leistungseinheiteneher für den Flächenbedarf eig-nen, einen wesentlichen Beitragzu einem umweltverträglichenEnergiesystem leisten.  Ziel der Fusionsforschung ist einStrom lieferndes Kraftwerk, das –ähnlich wie die Sonne – Energieaus der Verschmelzung von Was-serstoffkernen gewinnt. Aufbauund Funktionsweise eines sol-chen Kraftwerkes ist auf derGrundlage des heutigen Standesder Technik in Abb. 1 dargestellt.Die folgenden Erläuterungen be-ziehen sich auf die Nummerie-rung in Abb.1.Ein torusförmiger Vakuumbehäl-ter (4) übernimmt die Rolle desKessels in einem konventionellenKraftwerk: Hier wird Energie inForm von Wärme frei. Ausgangspunkt ist ein extremdünnes Gasgemisch aus schwe-rem (Deuterium) und überschwe-Einleitung5(5)Forschung auf dem Weg zum FusionskraftwerkG. Janeschitz, W. Bahm, FUSIONNACHRICHTEN - Forschungszentrum Karlsruhe  Jahrg. 36  1/2004  S. 5-10 Abb. 1: Das Fusionskraftwerk der Zukunft.A Tokamak-HalleB Tritiumrückführung, Vakuumsysteme, Brennstoffeinspeisung und InstandhaltungC Einrichtungen zur Plasmaheizung und StromversorgungD TurbinenhalleE Energieversorgung für MagneteF KälteversorgungG Notstrom-Versorgung1 Plasma2 Blanket3 Divertor4 Vakuumbehälter5 Toroidalfeldspulen6 Poloidalfeldspulen7 Transformator-Primärwicklung8 Kryostat9 Öffnung10 Biologischer Schild11 Deuteriumzufuhr12 Zufuhr des erbrüteten Tritiums13 Heliumabfuhr14 Tritium- und Deuteri-um- Rückführung15 Kühlmittelzufuhr16 Kühlmittelabfuhrrem (Tritium) Wasserstoff bei ei-nem Druck, der etwa 1/250.000des Atmosphärendrucks an derErdoberfläche entspricht. Dasheißt, dieser ca. 1000 m3 großeVakuumbehälter enthält nur weni-ge Gramm des Deuterium/Triti-um-Brennstoffs.Eine Startheizung strahlt für eini-ge Sekunden eine Leistung von50 bis 100 Megawatt in dieBrennkammer ein, wodurch dasBrennstoffgemisch auf ca. 100Millionen Grad aufgeheizt wirdund in den Plasmazustand (1)übergeht: Der Atomverband istaufgelöst und negative Elektro-nen und positiv geladene Atom-kerne bewegen sich völlig unab-hängig voneinander. Um Berüh-rungen mit der Innenwand desVakuumbehälters, der sog. Er-sten Wand zu vermeiden, wirddas heiße Plasma durch überla-gerte starke Magnetfelder einge-schlossen, die im Einzelnen imfolgenden Kapitel „Plasmaphysik– eine Kurzeinführung“ näher er-läutert werden. Die im heißen Plasma einsetzen-den Fusionsreaktionen setztenhochenergetische Heliumkerneund Neutronen frei. Die gela-denen Heliumkerne können den„magnetischen Käfig“ nicht ver-lassen. Sie geben Energie durchStöße mit Plasmateilchen ab undtragen so zur Heizung des Plas-mas bei. Dagegen werden elek-trisch neutralen Neutronen je-doch in ihrer Bewegung durchdas Magnetfeld nicht beeinflusst.Sie werden im Blanket (2) abge-bremst, die dabei entstehendeWärme wird über ein Kühlmittel(z.B. Helium) (15, 16) in einenkonventionellen Kreislauf einge-speist. Die Stromproduktion er-folgt dann wie in einem konven-tionellen Kraftwerk durch eineTurbine mit nachgeschaltetemGenerator. Vakuumbehälter, Blanket undMagnete befinden sich innerhalbdes Kryostaten (8), eines Tieftem-peraturbehälters, der von einembiologischen Schild (10) um-schlossen ist. Der Brennstoff Triti-um wird im Blanket durch Neutro-neneinfang in Lithium erbrütet,mittels Spülgas ausgetrieben, mitDeuterium vermischt und in dasbrennende Plasma rückgeführt(11, 12). Die „Asche“ aus derKernfusion, das Edelgas Helium,wird über den Divertor (3) abge-saugt und entsorgt, das mitge-führte unverbrannte Deuterium/Tritium-Gemisch wird in das Plas-ma rückgeführt (14).Im Vergleich zu anderen Energie-quellen bietet die Kernfusion eineriesige Energieausbeute: So wirdaus der Fusion von einem GrammDeuterium/Tritium-Gemisch eineEnergiemenge von 2600 kWh frei,das entspricht der Verbrennungvon 10 t Kohle. Daher kommt ein1000 MW Fusionskraftwerk jähr-lich mit 100 kg Deuterium und300 kg Lithium (aus dem 150 kgTritium erbrütet wird) aus. Dasheißt, ein Lastwagen mit unge-fährlicher Ladung reicht aus, umden Jahresbedarf eines solchenKraftwerkes zu decken. Ein ver-gleichbares Steinkohlewerk ver-brennt im selben Zeitraum ca. 2.7Millionen Tonnen Kohle. Um eineFamilie ein Jahr lang mit Stromaus dem Kraftwerk zu versorgen,reichen 2 Liter Wasser und 250 gGestein aus (Abb. 2).6(6)Abb. 2: Rohstoffe der Kernfusion. [Quelle: FZJ]Rohstoffe der Kernfusion für den Jahresverbrauch einer Familie (Elektrizität)Zu finden in:2 Litern Wasser250 Gramm GesteinEnergieinhalt:48 000 Millionen Jouleentsprechend 1 000 Litern Öl75 mg  Deuterium225 mg  LithiumDie in der Erdkruste verfügbarenBrennstoffreserven reichen fürzehntausende von Jahren aus,um den derzeitigen weltweiten-Stromverbrauch zu decken. ImGegensatz zu den fossilen Brenn-stoffen Öl, Erdgas und Kohle sinddie Rohstoffe Wasser und Lithiumin Gesteinen geografisch gleich-mäßig verteilt, so dass Vertei-lungskämpfe um Energiequellenausgeschlossen sind. Zudem verfügt ein Fusionskraft-werk über günstige Sicherheits-eigenschaften, d.h. aufgrund sei-ner niedrigen Energiedichte – ver-gleichbar mit einer 100 W Glüh-birne – ist in einem Fusionsreak-tor auch bei totalem Kühlmittel-ausfall eine Leistungsexkursionausgeschlossen. Außerdem emit-tiert ein Fusionskraftwerk keineklimaschädlichen Gase.Die Neutronen aus der Fusionsre-aktion liefern einerseits die Ener-gie zur Stromproduktion, führenaber andererseits zur Schädi-gung und Aktivierung des Struk-turmaterials. Die hierbei entste-hende Menge radioaktiven Mate-rials ist zwar in der Menge mitdem radioaktiven Abfall einesKernkraftwerkes gleicher Leis-tung vergleichbar, nicht aber hin-sichtlich des Aktivitätsinventars.Die Materialentwicklung ist da-rauf ausgerichtet, durch geeigne-te Legierungen den Zeitraum, indem das aktivierte Material zwi-schengelagert werden muss, we-sentlich zu reduzieren. Nach heu-tigem Stand der Technik kannman davon ausgehen, dass etwa80 % des anfallenden radioak-tiven Abfalls nach weniger als100 Jahren rückgeführt werdenkönnen und nur der Rest für eini-ge Jahrhunderte, jedoch nicht fürJahrtausende zwischengelagertwerden muss. Der Fusion von Atomkernensteht die elektrostatische Ab-stoßung aufgrund ihrer positivenLadung entgegen. Die absto-ßende Kraft ist proportional zurKernladung und umgekehrt pro-portional zum Abstand der Ker-ne. Daher eignen sich Kerne mit niedriger Ladungszahl für dieFusion, also Wasserstoffkerne.Hinzu kommt, dass die Fusionvon Wasserstoffkernen einen be-sonders hohen Betrag an Bin-dungsenergie freisetzt. Abb. 3veranschaulicht den Vorgang derKernfusion. Stellen wir uns vor, im Achsen-kreuz sitzt ein Wasserstoffkernund ein zweiter rast mit hoher Ge-schwindigkeit von rechts nachlinks längs der Abszisse. Je kür-zer der Abstand, umso stärkerwird die Abstoßung, oder bildlichgesprochen, der Wasserstoffkernmuss die Coulomb-Barriere über-winden. Ist die Spitze des Wallserreicht, so beginnt im Abstandvon 10-13cm die starke Kernkraftzu wirken, die Abstoßung kipptum in eine Anziehung und eskommt zur Fusion der beidenWasserstoffkerne. Um den Wallzu erklimmen, benötigt der Was-serstoffkern jedoch eine kineti-sche Energie, die etwa 2,6 Milliar-den Grad entspricht. Eine derarti-ge Temperatur kommt im Univer-sum nicht vor. Dass Kernfusiondoch möglich ist, lässt sich durchden quantenphysikalischen Tun-neleffekt erklären: je höher derWasserstoffkern den Wall er-klommen hat, umso größer ist dieWahrscheinlichkeit, dass er sicheinen Tunnel durch den Wallgräbt und so in den Wirkungsbe-reich der starken Kernkraft ge-langt. Um einen Netto-Energiegewinn ineinem Fusionsreaktor zu erzielen,ist eine gewisse Mindestzahl vonFusionsprozessen pro ZeiteinheitPhysikalischeGrundlagen derKernfusion7(7)Abb. 3: Der quantenphysikalische Tunneleffekt macht die Kern-fusion erst möglich.EnergieCoulomb-BarriereKerne spüren die elektrostatische AbstoßungKerne gelangen über einen Tunneldurch die EnergiebarriereAbstand zwischen den KernenQuantenmechanischKernespürendie starkeKernkraftHerkömmlichnotwendig. Daher muss sowohldie Wahrscheinlichkeit, dass beieinem Zusammenstoß zweierWasserstoffkerne (z.B. Deuteriumund Tritium) ein Fusionsprozessstattfindet, als auch die Anzahlder pro Zeiteinheit stattfindendenStöße maximiert werden, wozueine hohe kinetische Energie not-wendig ist. Allerdings ist sogarbei einer kinetischen Energie von10 keV die Wahrscheinlichkeitelastischer Stöße um mehrereGrößenordnungen höher als dieeines Fusionsprozesses, daherkann durch elektrostatische Be-schleunigung (z. B. Teilchenbe-schleuniger) keine netto Energie-ausbeute erreicht werden. Dereinzig gangbare Weg ist daher,ein Gasgemisch aus Deuteriumund Tritium in einem Behälter ein-zuschließen und soweit aufzuhei-zen, dass die Energie, die durchFusionsprozesse freigesetzt wird,den zum Einschluss und zur Auf-heizung des Gases nötigen Ener-giebedarf übersteigt. Ein Gas,dessen Teilchen die notwendigekinetische Energie von 10 keVbesitzen, hat allerdings eine Tem-peratur von etwa 100 MillionenGrad Celsius. Bei derartigenTemperaturen befindet sich dasGas im Plasmazustand, d.h. derAtomverband ist aufgelöst undAtomkerne und Elektronen bewe-gen sich unabhängig voneinan-der. Um das heiße Plasma vonder Behälterwand zu isolieren,denn kein Werkstoff hält derartigeTemperaturen aus, gibt es zweiMöglichkeiten: der magnetischeEinschluss und der Trägheitsein-schluss.Unabhängig von der Methodedes Plasmaeinschlusses müssenfür einen Netto-Energiegewinnfolgende Bedingungen erfülltsein:l Die Temperatur sollte in derNähe des maximalen Fusions-querschnitts sein, also ~ 10 bis20 keV betragen. Eine niedri-gere Temperatur kann zum Teildurch Änderungen der beidennachfolgenden Bedingungenausgeglichen werden, wasmanchmal für den Trägheits-einschluss wichtig ist.l Die Anzahl der Teilchen proVolumeneinheit (m3) sollte et-wa 1020 oder höher (bei Träg-heitseinschluss) sein um einegenügende Zahl von Stößenpro Zeiteinheit zu erzielen. l Der Einschluss von Energieund Teilchen sollte einigeSekunden (im Trägheitsein-schluss Millisekunden) betra-gen. Der Einschluss hat imPrinzip nichts mit der Lebens-dauer des heißen Plasma Zu-standes zu tun, sondern gibtan, wie lange die Energie unddie Teilchen im Mittel im Plas-ma verweilen. Das bedeutet,dass mehr Energie und Teil-chen pro Zeiteinheit zugeführtwerden müssen um den Plas-mazustand aufrechtzuerhal-ten, wenn der Einschlussschlechter wird.Keine der obigen Bedingungen al-leine kann eine Netto-Energieaus-beute garantieren, sondern nur dierichtige Kombination obiger Be-dingungen, charakterisiert durchdas so genannte „Trippel Pro-8(8)Abb. 4: Das Tripelprodukt aus Temperatur, Dichte und Einschluss-zeit; die Zündbedingung ist dann erreicht, wenn dieses Produktden Wert 6 x 1021 erreicht.1001010.10.1 1 10Temperatur [keV]Fusionsprodukt [x 1020  m–3 · s · keV]1001965197019801997JahrZündung0.01TFTR TFTR TFTR TFTR TFTR JETTFTR JT-60JT-60UJT-60UJETJET JETALC-CALC-APLT PLTTEXTORDIII-DDIII-DD–T ExpDIII-DQDT = 0.1QDT = 1DIII-DASDEXT10TFRTFRT3FTnicht erreichbareRegionGrenze der BremsstrahlungReaktor-relevanteBedingungenReaktor-bedingungenduct“. Die Größe dieses Produktsist ein Maß für die durch den Fu-sionsprozess freigesetzte Energie.Hierbei ist berücksichtigt, dassdas Plasma neben den externenHeizungen auch durch die ausdem Fusionsprozess freigesetztenHeliumkerne (Alpha-Teilchen) ge-heizt wird, die anfänglich eine umzwei Größenordnungen höhere ki-netische Energie als die Plasma-teilchen bei 10 keV besitzen. Wenndie Fusionsrate groß genug ist,dann reicht diese sog. Alphahei-zung alleine aus, um das Plasmaauf Betriebstemperatur zu halten.Diesen Zustand nennt man Zün-dung. Die Zündbedingung ist danngegeben, wenn die Temperatur et-wa 10 keV beträgt und das Pro-dukt aus Temperatur (in keV),Dichte (in Teilchen pro m3) und Ein-schlusszeit (in Sekunden) etwa6 x 1021 beträgt. Wie aus Abb. 4 zuerkennen ist, hat die internationaleFusionsforschung etwa 3.5 Grö-ßenordnungen in den letzten 30Jahren auf diesem Weg geschafft,vergleichbar mit der Geschwindig-keit der Entwicklung im IT-Sektor.Wie aus Abb. 4 zu erkennen ist,hat die weltweit größte Tokamak-Anlage, der Joint European Torus(JET) den „Break-Even“-Punktfast erreicht: Im Jahr 1997 wurdein einer Deuterium-Tritium-Kam-pagne (Experimentieranlagen ar-beiten gewöhnlich mit Deuteri-um-Deuterium, um das radioak-tive Tritium zu vermeiden) für eini-ge Sekunden 65 % der von außenzugeführten Energie durch Ener-giefreisetzung aus der Fusionsre-aktion wieder zurück gewonnen.Um die Grundlagen für den Baueines Leistungskraftwerkes zuschaffen, muss in einem näch-sten Schritt die Realisierbarkeiteines lang brennenden, reaktor-typischen Plasmas sowie eineReihe von bereits entwickeltenReaktorkomponenten erprobtwerden. Dazu gehören supralei-tende Magnete, Blanket und Di-vertor zur Energieauskopplung,Tritium führende Systeme undFernhantierungstechnik. DiesesZiel verfolgt der in weltweiter Zu-Aktueller Stand derFusionsforschung undAusblick9(9)Abb. 5: Die Roadmap zur kommerziellen Nutzung der Fusion.Strategie auf dem Weg zum FusionskraftwerkTokamak-PhysikKonzeptverbesserungen, StellaratorITER DEMOStrom-produktionkommerzielleStromproduktionITER-relevante TechnologieFusionstechnolgie – Demo relevant14-MeV-NeutronenquelleEntscheidungspunkt2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050sammenarbeit geplante Experi-mentalreaktor ITER. Projektpart-ner sind die Europäische Union,USA, Japan, die Russische Föde-ration, China und Südkorea. Mitdem Bau der Anlage wird voraus-sichtlich im Jahr 2005 begonnen,Beginn des Betriebs ist 2015 ge-plant. Man geht heute davon aus,dass nach zehnjähriger Betriebs-zeit genügend plasmaphysika-lische und technologische Ergeb-nisse vorliegen, um mit der Pla-nung eines Demonstrations-Leis-tungskraftwerkes beginnen zukönnen, sodass etwa Ende derdreißiger Jahre erstmals Stromaus einem Fusionskraftwerk indas Netz eingespeist werdenkann.Eine wesentliche Voraussetzunghierfür ist die rechtzeitige Verfüg-barkeit von Werkstoffen fürplasmanahe Komponenten, dieüber einen Zeitraum von mehre-ren Jahren der energiereichenNeutronen- und Wärmestrahlungstandhalten können. Zur Qualifi-zierung solcher Materialien wirdderzeit unter der Schirmherr-schaft der Internationalen Ener-gie Agentur (IEA) eine Beschleu-niger-basierte Neutronenquellegeplant. Die in Abb. 5 dargestell-te Roadmap zur kommerziellenNutzung der Fusion gibt einenÜberblick über die physikali-schen und technologischen Ent-wicklungen der nächsten zwan-zig Jahre auf diesem Weg sowieüber die geplanten Anlagen.Forschungseinrichtungen aus al-ler Welt arbeiten an diesem ehr-geizigen Ziel. In Europa habensich Forschungseinrichtungenaus allen Ländern der Europäi-schen Union im European FusionDevelopment Agreement (EFDA)zusammengeschlossen, um daseuropäische Fusionsprogrammumzusetzen. Die Beiträge desForschungszentrums umfassendie Bereichel Entwicklung und Test von Mi-krowellenröhren (Gyrotrons)zur Plasmaheizung,l Entwicklung und Test von su-praleitenden Magnetspulenzum Einschluss des Plasmassowie von supraleitendenStromzuführungen,10(10)l Konzeptionelle Entwicklungund Konstruktion der Komponenten Blanket und Divertorzur Energieauskopplung,l Entwicklung und Test von Triti-um führenden Komponentenund Systemen,l Werkstoffentwicklung und fe-derführende Mitarbeit bei derPlanung der NeutronenquelleIFMIF (International FusionMaterials Irradiation Facility),l Sicherheitsuntersuchungenfür ITER,l Entwicklung eines globalenPlasmamodells,die im Einzelnen in dieser Bro-schüre dargestellt werden.

Forschung auf dem Weg zum Fusionskraftwerk

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