Die gesellschaftliche Auseinandersetzung mit Kernfusion - eine neue Form der Energiegewinnung

Inhaltsverzeichnis

  Erklärung  5

  Vorbemerkung  6

  Abkürzungen Zeichen und Umrechnungsfaktoren  7

0  Einleitung  9

0.1  Begründung des Themas  9

0.2  Zielsetzung und neue Erkenntnisse  11

1  Grundlagen kontrollierter Kernfusion  13

1.1  Die Sonne als Inspirator  13

1.2  Deuterium und Tritium als Brennstoff für ein Fusionskraftwerk  16

1.3  Erzeugung und Speicherung von Plasmen  17

1.3.1  Der magnetische Einschluss  19

1.3.2  Die Plasmaheizung  20

1.3.3  Verunreinigungen und Instabilitäten im Plasma  21

1.3.4  Brennstoffnachfüllung  22

1.4  Zusammenfassung  23

2  Das Fusionsforschungsprogramm  25

2.1  Stellarator und Tokamak  26

2.2  Das IPP Forschung für die Energie der Zukunft  28

2.2.1  Fusionsexperiment Wendelstein  29

2.2.2  Fusionsexperiment ASDEX  31

2.3  EURATOM  33

2.3.1  Das Programm von EURATOM  33

2.3.2  Fusionsexperiment JET  35

2.4  Fusionsexperimente im Rahmen der IAEA  38

2.5  Zusammenfassung  40

  2  

3  Das Fusionskraftwerk der Zukunft  42

3.1  Aufbau eines Fusionskraftwerks  42

3.2  Risiken und Vorteile einer Kernfusionsanlage was sagen die Experten  43

3.3  Zusammenfassung  45

4  Kernenergie und die Gesellschaft  47

4.1  Umweltbewusstsein und Umweltverhalten des Einzelnen  48

4.1.1  Becks Risikogesellschaft  48

4.1.2  Das Umweltbewusstsein der Deutschen und Österreicher  49

4.1.3  Das Missverhältnis zwischen Umweltbewusstsein und Umweltverhalten  51

4.2  Die Bedeutung des Staates im Prozess der Modernisierung  53

4.3  Gesellschaftliche Risiko- und Akzeptanzdebatten über Kernfusion  55

4.4  Neue soziale Bewegungen  58

4.4.1  Die Entwicklung von Bürgerinitiativen und Umweltbewegungen  58

4.4.2  Ansätze für die Bildung von sozialen Bewegungen  60

4.4.3  Das soziale und ideologische Profil von Umweltbewegungen  62

4.4.4  Perspektiven von Umweltbewegungen  63

4.5  Jugend und Umweltschutz  64

4.6  Österreich und Kernenergie  66

4.6.1  Österreichs Parteien und Temelin  66

4.6.2  Österreich und Kernfusion  68

4.7  Zusammenfassung  68

5  Kernfusion als Thema im Physik Chemie-Unterricht  70

5.1  Begründung des Themas und didaktische Vorüberlegungen  70

5.2  Projekt Kernfusion im PC-Unterricht der Sekundarstufe I  71

5.2.1  Verlauf des Projekts  71

5.2.2  Einstellung der Schüler zur Kernenergie Kernfusion  73

6  Schluss und Vorausschau  75

6.1  Erkenntnisse und Folgen  75

6.2  Optionen für die Zukunft  77

6.3  Meine persönliche Meinung zur Kernfusion  78

  3  

  Literaturverzeichnis  80

Abbildungsverzeichnis............................................................................................ 84

  Technische Daten der wichtigsten Experimenttypen  93

  4  

Erklärung:

Ich erkläre, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbst verfasst habe und dass ich dazu keine anderen als die angeführten Behelfe verwendet habe. Außerdem habe ich die Reinschrift der Diplomarbeit einer Korrektur unterzogen und ein Belegexemplar verwahrt.

_____ ____________________ Ternberg, am 14.03.2003 Michael Schaupp

5

Vorbemerkung:

In meiner Diplomarbeit verzichte ich bewusst auf geschlechtsspezifische Be- zeichnungen. Dies soll in keiner Weise die Leistungen von Frauen schmälern, geschweige denn Frauen im Allgemeinen diffamieren. Der Verzicht beruht alleine auf der Möglichkeit des einfacheren Lesens und Schreibens der Arbeit.

Ich danke im Besonderen meinen Eltern, Manfred und Gerda Schaupp, für die Bereitstellung von finanziellen Mitteln, mit denen ich Literatur für die Verfassung dieser Diplomarbeit kaufen konnte. Weiters danke ich meiner Mutter für das Korrekturlesen der Arbeit und für ihre vielfältigen Korrekturvorschläge.

Die Arbeit wurde nach den neuen Regeln der deutschen Rechtschreibung verfasst.

Die Seitenbezifferung ist hier nicht regulär (Das Titelbild und das Inhaltsverzeichnis sind bereits beziffert). Die Original-Arbeit setzte sich aus mehreren DOC-Dateien zusammen, die ausgedruckt und zusammengesetzt wurden. Da diese PDF-Datei jedoch aus einer einzigen DOC-Datei bestehen muss, wurde die Seitenbezifferung sofort mit dem Titelbild gestartet und durchgehend automatisch fortgesetzt. Ich bitte um Verständnis.

Der Verfasser

6

Abkürzungen, Zeichen und Umrechnungsfaktoren

Abkürzungen

ASDEX Axial Symmetrisches Divertor Experiment

GAU Größter anzunehmender Unfall

IAEA International Atomic Energy Agency

IPP Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

ITER International Thermonuclear Experimental Reactor

ITER-FEAT International Thermonuclear Experimental Reactor-Fusion Energy

Amplifier Tokamak

INTOR International Tokamak Reactor

JET Joint European Torus

JETWG Joint European Torus Working Group

MPG Max-Planck-Gesellschaft

MPI Max-Planck-Institut

MPIP Max-Planck-Institut für Physik

MPIPA Max-Planck-Institut für Physik und Astrophysik

NET Next European Torus

ÖAW Österreichische Akademie der Wissenschaften

Einheitenzeichen (Massen-, Längen- und Zeitmaße werden als bekannt angenommen)

bar Bar

eV Elektronenvolt

Hz Hertz

J Joule

K (Grad) Kelvin

T Tesla

W Watt

Elementarteilchen

e +

Positron (Antielektron)

p +

Proton

n Neutron

ν Neutrino

7

γ Photon (Gammaquant)

Formelzeichen

Massenzahl A

Energie E

Anzahl (Teilchendichte) n

Radius, Abstand r

Leistungsverstärkungsfaktor Q

σ Wirkungsquerschnitt

τ (Energie-)Einschlusszeit

Temperatur T

Geschwindigkeit

v

Vorsätze (SI-Präfixe)

Giga = 10 9 G

Mega = 10 6 M

Kilo = 10 3 k

Zenti = 10 -2 c

Milli = 10 -3 m

Konstante

Umrechnungsfaktoren x °C = ( ) +

15 , 273 K

x

− ⋅

19

1 eV = 10 602 , 1 J

⋅

18

1 J = 10 241 , 6 eV

8

0 Einleitung

6.8.1945, Hiroshima, Japan: die amerikanische Uran-Atombombe „Little Boy“ explo- diert im Herzen der japanischen Stadt. Einer Sprengkraft von 12,5 kT TNT fielen dieser schrecklichen Waffe über 250 000 Menschen zum Opfer, über 150 000 Menschen wurden zum Teil schwerst verletzt. Etwa 60 % der ganzen Stadt wurden zerstört. Noch heute leiden die Opfer von damals an den Folgen der Atombombe, von den Nachwirkungen der freigesetzten Radioaktivität ganz zu schweigen. Spätestens seit dem neuerlichen Abwurf einer Plutonium-Atombombe in Nagasaki drei Tage später und dem GAU in Tschernobyl 1986, der unmittelbare Wirkung für uns Österreicher zeigte, weiß der Mensch um die Gefährlichkeit von Kernenergie – sei es zu militärischen Zwecken in Form von Atom- bzw. Fusionsbomben oder zur friedlichen Nutzung in Atomkraftwerken.

0.1 Begründung des Themas

Die Bevölkerungszahl wächst und wächst. Leben heute noch circa sechs Milliarden Menschen auf der Erde, so könnten es in ein paar Jahrzehnten schon deutlich über zehn Milliarden sein. Mit dem Ansteigen der Bevölkerung und der Weiterentwicklung in der Industrie steigt auch der Bedarf an Strom und Energie. In den letzten 100 Jahren verzehnfachte sich der weltweite Primärenergieverbrauch. Dieser rasante Anstieg stellt hohe Ansprüche an die natürlichen Energieressourcen der Welt, aus denen man elektrischen Strom gewinnen kann.

Bis jetzt hat man die ideale Energieform noch nicht gefunden: die Verbrennung fossiler Energieträger – die 90 % des derzeitigen Weltenergiebedarfs abdecken – scheitert langfristig gesehen an der Endlichkeit der Brennstoffe. Außerdem entstehen bei der Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas Luftschadstoffe wie CO 2 , NO x und SO 2 . Auch erneuerbare Energiequellen bringen Probleme mit sich. So sind die Bau- und Betriebskosten für Solarzellen sehr hoch und bei Wasserkraftwerken wird die Umwelt teils gravierend beeinflusst. Vor dem Beginn des Baus eines Staudamms am Jangtsekiang in China droht 1,2 Millionen Menschen die Zwangsaussiedlung. Kraftwerke, die mit hoher Leistungsgewinnung arbeiten und nicht standortab- hängig sind, wären Atomkraftwerke. Jedoch gab es schon zu viele Zwischenfälle und

9

Probleme mit dem radioaktiven Abfall, so dass diese Form der Energiegewinnung bei vielen Bürgern und auch Experten auf Ablehnung stößt. Nach einer Umfrage des Meinungsforschungsinstitutes market im Auftrag des österreichischen Nachrichten- magazins NEWS fürchten sich heute 57 % aller Österreicher vor einem Reaktor- unglück bzw. einem Atomunfall. Somit ängstigen sich die Österreicher mehr vor einem Atomkraftunfall als vor einem neuerlichen Weltkrieg, dem finanziellen Ruin oder Rechtsradikalismus. Seit der letzten Umfrage 1997 ist die Zukunftsangst vor einem Zwischenfall in Zusammenhang mit Kernspaltung um 15 % gestiegen. 1

Als ich im Spätherbst 2001 im Rahmen meiner Hauptschullehrerausbildung im Fach Physik/ Chemie an einer Exkursion zum Max-Planck-Institut in Garching bei München teilnahm, bekam ich einen kleinen Einblick in die kontrollierte Kernfusions- forschung, die – ähnlich wie die Sonne – Energie aus der Verschmelzung von Atom- kernen erzeugt. Mein Interesse galt der Frage, wie viel Leistung man durch kontrollierte Kernfusion gewinnen kann und wie sicher und umweltschonend ein Fusionskraftwerk arbeiten kann. Weil ein Fusionsreaktor ein „Projekt der Zukunft“ ist – einen Reaktor zur allgemeinen Energieversorgung gibt es noch nicht – wurde meine Neugier noch stärker und ich nahm mir vor meine Diplomarbeit über dieses Thema zu schreiben.

„Wir wollen sehen, wie weit uns diese oder jene Methode bringt. Vielleicht kommen wir an eine Grenze. Wenn es eine gibt, dann sehen wir sie noch nicht. Vorläufig ist unser Weg eigentlich sehr interessant. Falls unserer Forschungsweise Grenzen gesetzt sind, dann liegen sie noch jenseits des Horizonts. Einstweilen macht uns jedenfalls die Arbeit großen Spaß, und wir entdecken viel Interessantes…“ (John C. Kendrew)

Mit diesen Worten charakterisierte der Chemiker Kendrew die Demut vor der Nichtig- keit des Menschen und seine begrenzten Möglichkeiten seiner Forschungen. Den- noch versucht der Wissenschaftler, trotz der Einsicht seiner Grenzen, mit seinen Ex- perimenten und Forschungen an die Grenzen des Möglichen zu stoßen. Er hofft, eine endgültige Antwort auf die „letzten Fragen“ – die er im Rahmen seiner For- 1 NEWS 45/02, S. 62

10

schungen gar nicht formulieren kann, da er sie nicht kennt – zu finden. 2 Dieses Zitat gibt uns auch (ungewollt) einen guten Einblick in das Forschungsprogramm zur Kern- fusion – man testet und experimentiert mit einer Vielzahl von Methoden, bis man an eine Grenze stößt, an der man nicht mehr weiter kommt. Diese Grenze wurde aber noch nicht erreicht und es werden jährlich neue interessante Ergebnisse gewonnen.

0.2 Zielsetzung und neue Erkenntnisse

Im Rahmen meiner Diplomarbeit möchte ich eine neue Form der Energiegewinnung vorstellen. Im Besonderen gehe ich auf das Forschungsprogramm am IPP in Garching bei München, dessen wissenschaftliche Struktur als Institut und dessen internationale Kooperationen ein. Um die wissenschaftliche Struktur des IPP besser verstehen zu können, werde ich im ersten Teil meiner Arbeit die physikalisch- technischen Grundlagen von Kernfusion darstellen. Hier wird auf sozio-ökologische Standpunkte und auf Gesellschaftsanalysen verzichtet.

Die Risiko- und Akzeptanzdebatten auf dem Gebiet der Kernkrafttechnologie werden dann in den nächsten Kapiteln behandelt. Hier werde ich auch Bezug auf die Anti- Atomkraftbewegung nehmen und einen Seitenblick auf die Kernforschung in Österreich wagen. In vielen Bereichen dieser Arbeit wird Österreich aber außer Acht gelassen, da sich Österreich „nur“ mittels Materialbau an der Fusionsforschung betei- ligt und nicht in die Dimensionen der Wissenschaft wie etwa Deutschland vordringt. Die meisten Studien in der Technikfolgenabschätzung und der soziologischen Ana- lyse beziehen sich auf Deutschland, können aber in ihren Grundaussagen durchaus auf Österreichs Gesellschaft adaptiert werden.

Im dritten und letzten Abschnitt der Studie beschreibe ich die Bearbeitung des Themas „Kernfusion“ in der (Haupt-)Schulpraxis. In einem Projekt sollte den Schülern ein Einblick in die Fusion geboten werden, wobei ein Schwerpunkt auf den Emotionen der Schüler gegenüber Kernenergie lag.

Mein Ziel ist es mit meiner Abhandlung einen Blick in eine mögliche Strom- 2 Vgl. Walter R. Fuchs, Knaurs Buch der modernen Physik. München 1965, S. 306

11

versorgung der Zukunft zu geben und den Lesern eine kritische und objektive Abwä- gung von Kernfusion zu ermöglichen, indem ich diese komplexe und weitragende Materie so einfach als möglich zu erklären versuche. Außerdem möchte ich einen, wenn auch bescheidenen, methodisch-didaktischen Beitrag zum Thema „Kernfusion“ in der Sekundarstufe I leisten.

12

1 Grundlagen kontrollierter Kernfusion

Kernfusion ist ein sehr neues Teilgebiet der Kernphysik, das in der Fachliteratur vor 1970 kaum Erwähnung findet und auch in der Schule – zumindest in der Sekundarstufe I – minimale Aufmerksamkeit bekommt. Relativ wenige Menschen haben sich bis dato mit der Materie Kernfusion beschäftigt, geschweige denn Arbeiten darüber geschrieben. Was versteht man also unter Kernfusion? Die technischen und physikalischen Grundlagen kontrollierter Kernfusion zu erörtern ist Ziel dieses Kapitels. Um das Prinzip der Kernfusion zu verstehen, ist es nützlich, sich – als Einstieg – die Sonne und deren Energieerzeugung näher anzusehen und zu verstehen.

1.1 Die Sonne als Inspirator

Bereits 1899 wurde erstmals vermutet, dass die Energie der Sonne auf Kernreaktionen beruhen könnte. Wenn aber die Energieerzeugung der Sonne auf radioaktivem Zerfall beruhe, so müsste sie ausschließlich aus Uran, Thorium oder anderen schweren Elementen bestehen, da Kernspaltung nur bei Kernen schwerer Elemente auftritt. Die Zerfallsprodukte müssten nachweisbar sein.

Wie nun die Sonne ihre Energie wirklich gewinnt, konnte man in den nächsten Jahrzehnten erforschen. Die ersten Theorien stammen vom Schweizer Physiker Fritz Houtermans und dem englischen Astronomen Robert Atkinson aus dem Jahre 1929. Sie schlossen auf heftige thermische Zusammenstöße von Wasserstoff-Kernen. Bei einem von rund 10 20 Zusammenstößen im Inneren der Sonne kommt es zu einer „Kernverschmelzung“, die auch Kernfusion genannt wird. Diese läuft im Inneren aller Sterne ab.

Bei einer Kernfusion werden zwei sehr leichte Kerne miteinander verschmolzen, so dass ein einzelnes Kerntröpfchen entsteht, wobei zahlreiche Promille der Masse energetisiert werden können. Die Fusion setzt jedoch sehr hohe Temperaturen als „Startbedingung“ voraus, damit sich die Ausgangskerne so sehr nähern, dass die abstoßende Coulomb-Kraft 3 überwunden wird. Deshalb wird die Kernfusion auch oft 3 Die Kerne stoßen sich wegen ihrer positiven Ladungen gegenseitig ab.

13

als thermonukleare Reaktion 4 bezeichnet. Die ausreichende Annäherung, die zur

− ⋅ ≤ A

10 15

Fusion führt, wird mit r

Auf der Sonne werden zuerst zwei Protonen (ein p + entspricht einem

1 Wasserstoff) zu einem Deuterium-Kern, dem sogenannten Deuteron 5 , fusioniert.

Dieses stabile Deuterium ist ein Isotop 6 des Wasserstoffs, das statt nur einem Proton

nun zusätzlich ein Neutron im Kern gelagert hat. Um die richtige Ladungs- und Spin-

Bilanz zu erhalten, werden ein Positron und ein Neutrino herausgeschleudert: 7

7 + ° = ν + +    →  +

0 2 C 10 T 1 1 e D H H

1 1 1 1

Dann reagieren die gebildeten Deuteronen mit Protonen und bilden das stabile

Helium-3-Iso-top 8 , wobei ein „Gamma-Quant“ – ein Photon (ein Lichtquant) – frei

wird:

+ →  +

3 1 2 γ He H D

2 1 1

Anschließend gibt es theoretisch drei Möglichkeiten, wie diese Kette weitergeführt

werden kann:

Im ersten Fall (ppI) verschmelzen zwei Helium-3-Isotope zu 4 Helium plus zwei

Protonen. Bei der zweiten Möglichkeit (ppII) bilden 7 Lithium und ein Proton zwei

Helium-4-Isotope. Und im dritten Fall würde zuerst instabiles 8 Beryllium gebildet, das

dann weiter in zwei Helium-4-Isotope zerfällt. Die ppI-Reaktion ist mit 86 % die

Wahrscheinlichste aller drei pp-Reaktionen, die in Abb. 1.1 abgebildet sind.

Bei der Fusion zu 4 Helium werden etwa 26 MeV Energie gewonnen. Da, wie bereits

erwähnt, nur einer von 10 20 Zusammenstößen zu einer Fusion führt, läuft eine

4 thermos (gr.) = Wärme, nucleus (lat.) = (Zell-)Kern

5 deuteros (gr.) = Zweiter

6 Isotop (von gr. isos = gleich und topos = Platz, Ort) ist ein Atom bzw. Atomkern desselben Elements

(d.h. mit gleich vielen Protonen) mit mehr oder weniger Neutronen.

7 Vgl. Bernhard Bröcker, dtv-Atlas Atomphysik. München 1997, S. 25 u. 75

8 helios (gr.) = Sonne

14

vollständige „Proton-Proton-Reaktion“ innerhalb von 14 Milliarden Jahren ab.

Eine andere Möglichkeit, Wasserstoff-Kerne in Helium-Kerne umzuwandeln, ist der

von Hans A. Bethe und Carl Friedrich v. Weizsäcker – unabhängig voneinander – im

Jahr 1938 entschlüsselte „Bethe-Weizsäcker-Zyklus“. Er wird auch „CNO-Zyklus“

genannt, da Kohlenstoff zu Stickstoff und in weiterer Folge zu Sauerstoff fusioniert

bzw. zerfällt:

+    →  + Fusion

13

1 12 1.) γ N H C

7

1 6

+ + ν + +    → 

0 13 Zerfall - β 13 e C N 2.)

1 6 7

+    →  + Fusion

14 1 13 3.) γ N H C

7 1 6

+    →  + Fusion

15 1 14 4.)

O H N

8 1 7

+ + ν + +    → 

0 15 Zerfall - β 15 5.) e N O

1 7 8

Nun kommt der entscheidende Schritt in diesem Prozess: Ein Proton wandelt den

Stickstoff-Kern zum ursprünglich vorhandenen Kohlenstoff-Kern und einem Helium-

Kern um.

+ →  +

4 12 1 15 6.) He C H N

2 6 1 7

Somit wird der Kohlenstoff, der in diesem Zyklus als Katalysator wirkt, niemals

weniger, da am Ende wieder ein Kohlenstoff-Kern für den am Anfang gebrauchten

Kohlenstoff-Kern entsteht. Der Energiegewinn beträgt wiederum etwa 25 MeV. 9

Vier Jahre früher, nämlich 1934, reproduzierte Sir Ernest Rutherford – er erzeugte

1919 erstmals eine Fusionsreaktion im Labor, indem er Stickstoff mit doppelt positiv

geladenen Heliumkernen (α-Teilchen) beschoss – die Fusionsvorgänge der Sonne

experimentell und verschmolz Wasserstoffkerne zu Heliumkernen. 10 9 Vgl. Fuchs, Knaurs, S. 309 f.

10 Zudem fand er, dass bei Kernreaktionen Energie freigesetzt wird.

Vgl. dazu: Eckhard Rebhan, Heißer als das Sonnenfeuer. Plasmaphysik und Kernfusion. München

1992, S. 9 f. und 57 f.

15

Im gleichen Jahr fand der Amerikaner Harold C. Urey das instabile und damit radio- aktive Wasserstoff-3-Isotop, genannt Tritium 11 . Dieses Isotop wird für uns im weiteren Verlauf von besonderer Bedeutung sein, da es in Testreaktoren und den geplanten Fusionskraftwerken als zweite Hälfte des Brennstoffs genutzt wird.

1.2 Deuterium und Tritium als Brennstoff für ein Fusionskraftwerk

Nach der Entdeckung der Kernspaltung 1938 und der Entwicklung der Atombombe durch das Manhattan-Projekt war man in erster Linie an einer militärischen Nutzung der Fusion interessiert. Am 1.11.1952 wurde die erste Fusionsbombe, die Wasserstoffbombe, von den USA gezündet. 12 Man erkannte nun die immensen, um in diesem Fall nicht zu sagen horrenden, Energiemengen, die bei Fusion freigesetzt werden. Heute besteht eine Fusionsbombe aus einer kleinen Kernspaltungsbombe, die vom Fusionsmaterial umgeben ist. Nachdem man nun die Kernverschmelzung auf militärischer Ebene nutzen konnte, begann man mit Untersuchungen der Fusion zum Zweck der zivilen Energiegewinnung in den Vereinigten Staaten.

Bald fand man heraus, dass sich von der Vielzahl der exothermen Fusionsreaktionen diejenige zwischen Deuterium und Tritium (kurz: D-T-Reaktion – s. Abb. 1.2) zu 4 He am besten bei irdischen Bedingungen eignen würde, da unter gleichen Bedingungen – im Gegensatz zur D-D-Reaktion – die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Fusionsprozessen größer ist. Außerdem sollte mehr Energie erzeugt als gebraucht werden. Die D-T-Reaktion erfüllt alle diese Kriterien: Sie ist leicht herbeizuführen, hat einen hohen Wirkungsquerschnitt und erzeugt eine positive Energiebilanz. Die D-T- Reaktion fand auch schon in der ersten H-Bombe Verwendung.

Deuterium findet man in großen Mengen im natürlichen Wasser (0,15 kg D 2 O pro Tonne Wasser), somit ist eine langfristige Versorgung mit diesem Teil des Brennstoffs gewährleistet. Das radioaktive Tritium hingegen ist in der Natur nicht vorhanden. Dieses Isotop, das eine Halbwertszeit von circa 12,3 Jahren hat, muss 11 tritos (gr.) = Dritter 12 Bei dieser Bombe wurde die unkontrollierte Fusion genutzt.

16

künstlich durch Brutreaktionen in den Brutzonen (engl. Blanket) gewonnen werden.

Folgende Reaktionen bieten sich dazu an:

+ →  +

3 4 1 6 + 4,78 MeV und T He n Li

1 2 0 3

+ + →  +

3 4 1 7

T He n Li

1 2 0 3

Die Reaktion mit 6 Lithium wird heute in der Kernfusionsforschung genutzt. Der

Lithium-Anteil an der Erdrinde beträgt etwa 0,006 Gewichtsprozente. Das Alkalimetall

Lithium kommt elementar nicht vor, ist aber in geringen Konzentrationen in fast allen

Gesteinen vorhanden. Der Anteil des stabilen 6 Li-Isotops im Lithium beträgt 7,5 %.

Nun kann man eine vollständige D-T-Fusion einleiten, die folgendermaßen aussieht:

+    →  +

4 Fusion 3 2 n He T D + 17,6 MeV

Die freiwerdende Energie verteilt sich: He: 3,5 MeV und n: 14,1 MeV (das sind 80 %

der gesamten freiwerdenden Energie).

Bei all den Vorteilen, die eine D-T-Reaktion gegenüber anderen Fusionsmöglich-

keiten hat, gibt es doch zwei Nachteile: Die Radioaktivität des Tritiums und die bei

der Fusion entstehenden schnellen Neutronen aktivieren die umgebenden

Reaktorteile. Diese Nachteile und die Probleme mit dem Plasma versucht man in

Großexperimenten, die in Kapitel 2 näher behandelt werden, zu lösen bzw. zu

mindern.

1.3 Erzeugung und Speicherung von Plasmen

Um zwei Kerne miteinander zu fusionieren, muss eine bestimmte Temperatur

überschritten werden, damit sich die Kerne so sehr annähern, dass die

Bewegungsenergie der Teilchen für einen Fusionsprozess ausreicht und dabei die

Coloumb-Kraft überwunden wird. Aufgrund der thermischen Energie ist nun die

kinetische Energie wesentlich höher als die Bindungsenergie 13 zwischen Elektron

13 Bindungsenergie ist die Energie, die man hinzufügen muss, um einzelne Elementarteilchen aus der

Hülle bzw. dem Kern zu lösen. Beim Deuteron beträgt die Bindungsenergie 2,226 MeV.

17

und Kern. Durch Stoßionisation werden nun die Elektronen von den Kernen gelöst und die gesamte Materie besteht aus freien Elektronen und Kernen (s. Abb. 1.3). Dieses völlig ionisierte Gas nennt man Plasma 14 . Dieses Plasma ist nach außen hin elektrisch neutral geladen. Plasma ist nach den Formen fest, flüssig und gasförmig der vierte Aggregatzustand. Es ist leuchtend, elektrisch leitend und lässt sich durch elektromagnetische Felder beeinflussen.

Ein Wasserstoff-Plasma entsteht schon bei Temperaturen von 10 5 K. Ist die Tempe- ratur des Plasmas hoch genug, so wird ein Fusionsfeuer gezündet und es kann eine Kettenreaktion entstehen. Dabei muss die Energieproduktion höher sein als die Energieverluste. Die Energieproduktion im Plasma wird bestimmt durch:

1. die Temperatur

2. den Wirkungsquerschnitt (abhängig von der Geschwindigkeit) und

3. die Dichte.

Die Teilchen im Plasma haben aber nicht alle die gleiche Energie. Es gilt hier die E =

Maxwellsche Energieverteilung mit einem Maximum bei = . Energie von kT E 2

Die günstigsten Bedingungen für Einschlusszeit 15 und Dichte erhält man bei mindestens 10 6 K. Jedoch beträgt die Temperatur, die mindestens erreicht sein muss, damit die Energieproduktion höher als der Strahlungsverlust ist, bei D-T 4 keV 16 . Um den Energieverlust durch Entweichen von Ionen minimal zu halten, müssen sie lange genug in der Reaktionszone verbleiben, um dann neue Reaktionen auszulösen. Diese Einschlusszeit beträgt mindestens zwei Sekunden. 1957 berech- nete der amerikanische Kernphysiker John D. Lawson die Bedingungen für das Fusionsprodukt aus der Energieeinschlusszeit τ und der Teilchendichte n in Ab- hängigkeit von der Temperatur T. Wenn dieses Kriterium (break-even-Bedingung) 14 plasma (gr.) = Gebilde 15 Diese gibt die Zeit an, nach der die zugepumpte Wärmenergie nach außen abgegeben wurde.

6 16 In der Fusionsforschung wird die Temperatur oft in keV angegeben, wobei gilt: 1 keV = ⋅

11

18

erfüllt wird, würde die im Fusionsplasma erzeugte Energie höher sein, als die zur

Aufrechterhaltung des Plasmas benötigte Energie und die Reaktionskette würde sich

selbst erhalten. Für D-T-Reaktionen ergibt sich hier ein Mindestwert von

⋅ ≥ τ ⋅ -3 14 s cm 10 5 , wobei das Plasma dann 250 000-mal „dünner“ als die Atmo- n

sphäre der Erde ist und man von einem Vakuum sprechen kann.

Am schwierigsten zu erreichen ist eine genügend lange Einschlusszeit bei günstigen

Bedingungen. Die besten Annäherungen an das Zündkriterium erreichten das

europäische Gemeinschaftsprojekt JET und der japanische Testreaktor JT-60, die

nur noch einen Faktor 5 bzw. 6 von einer Zündung entfernt sind. Die maximale

Annäherung an die Zündungsbasis der jeweiligen Großexperimente ist in Abb. 1.4

abzulesen.

Wie wird nun das Plasma zusammengehalten? Materielle Gefäße kommen nicht in

Frage – man arbeitet mit extremen Temperaturen und außerdem würde das Plasma

bei einer Berührung mit der Wand sofort abkühlen. Aber durch die leitende

Eigenschaft des Plasmas kann man es mithilfe von magnetischen Feldern

einschließen und von den Gefäßwänden fernhalten.

1.3.1 Der magnetische Einschluss

r r r ⊥ ) 17 in ein homogenes Magnetfeld, so Fliegt ein Elektron senkrecht zu B

beschreibt es eine Kreisbahn: Die Lorentzkraft wirkt dann als Zentripetalkraft. Mithilfe

eines magnetischen Feldes kann man also die Elektronen und Ionen des Plasmas

auf Kreis- und Schraubenbahnen um die Feldlinien zwingen (s. Abb. 1.5). Weil aber

in einem Ringfeld nach außen hin die Feldstärke abnimmt, würden die Teilchen bald

in Richtung Wand gedrängt werden. Wenn aber die Feldlinien geschlossen und

verdrillt sind, ist ein dauerhafter Einschluss des Plasmas möglich.

Bei Fusion mit magnetischem Einfluss können jedoch folgende Probleme auftreten:

(vektorielle) Geschwindigkeit eines Teilchens.

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