Hat thermonukleare Energie eine Zukunft?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Seit mehr als einem halben Jahrhundert versuchen Wissenschaftler auf der Erde eine Maschine zu bauen, in der wie im Darm von Sternen eine thermonukleare Reaktion abläuft. Die Technologie der kontrollierten Kernfusion verspricht der Menschheit eine nahezu unerschöpfliche Quelle sauberer Energie. Sowjetische Wissenschaftler waren am Ursprung dieser Technologie - und jetzt hilft Russland beim Bau des größten Fusionsreaktors der Welt.

Die Teile des Atomkerns werden durch eine kolossale Kraft zusammengehalten. Es gibt zwei Möglichkeiten, es freizugeben. Die erste Methode besteht darin, die Spaltenergie großer schwerer Kerne vom äußersten Ende des Periodensystems zu nutzen: Uran, Plutonium. In allen Kernkraftwerken der Erde ist die Energiequelle genau der Zerfall schwerer Kerne.

Aber es gibt noch einen zweiten Weg, die Energie des Atoms freizusetzen: nicht zu teilen, sondern im Gegenteil die Kerne zu verbinden. Einige von ihnen setzen beim Verschmelzen sogar noch mehr Energie frei als spaltbare Urankerne. Je leichter der Kern ist, desto mehr Energie wird während der Fusion freigesetzt (wie man sagt, Fusion)..

Handstern: solide Profis

Die Kernfusion wurde in den 1930er Jahren durch die Untersuchung der Prozesse im Inneren von Sternen entdeckt. Es stellte sich heraus, dass in jeder Sonne Kernfusionsreaktionen stattfinden und Licht und Wärme ihre Produkte sind. Sobald dies klar wurde, dachten die Wissenschaftler darüber nach, wie man wiederholen könnte, was im Darm der Sonne auf der Erde passiert. Gegenüber allen bekannten Energieträgern hat die „Handsonne“eine Reihe unbestreitbarer Vorteile.

Erstens dient gewöhnlicher Wasserstoff als Brennstoff, dessen Reserven auf der Erde viele tausend Jahre reichen werden. Auch wenn man bedenkt, dass für die Reaktion nicht das gängigste Isotop Deuterium benötigt wird, reicht ein Glas Wasser aus, um eine Kleinstadt eine Woche lang mit Strom zu versorgen. Zweitens entstehen bei der Kernfusionsreaktion im Gegensatz zur Verbrennung von Kohlenwasserstoffen keine giftigen Produkte, sondern nur das neutrale Gas Helium.

Vorteile der Fusionsenergie

Nahezu unbegrenzte Treibstoffvorräte. In einem Fusionsreaktor dienen Wasserstoffisotope – Deuterium und Tritium – als Brennstoff; Sie können auch das Isotop Helium-3 verwenden. Im Meerwasser steckt viel Deuterium - es kann durch konventionelle Elektrolyse gewonnen werden, und seine Reserven im Weltmeer reichen bei dem heutigen Energiebedarf der Menschheit für etwa 300 Millionen Jahre.

Tritium kommt in der Natur viel weniger vor, es wird künstlich in Kernreaktoren hergestellt – aber für eine thermonukleare Reaktion wird nur sehr wenig benötigt. Es gibt fast kein Helium-3 auf der Erde, aber es gibt viel im Mondboden. Wenn wir eines Tages thermonukleare Energie haben, wird es wahrscheinlich möglich sein, zum Mond zu fliegen, um Treibstoff dafür zu bekommen.

Keine Explosionen. Es braucht viel Energie, um eine thermonukleare Reaktion zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Sobald die Energiezufuhr stoppt, stoppt die Reaktion und das auf Hunderte Millionen Grad erhitzte Plasma hört auf zu existieren. Daher ist es schwieriger, einen Fusionsreaktor ein- als auszuschalten.

Niedrige Radioaktivität. Eine thermonukleare Reaktion erzeugt einen Neutronenfluss, der von der Magnetfalle emittiert und an den Wänden der Vakuumkammer abgelagert wird, wodurch sie radioaktiv wird. Durch die Schaffung einer speziellen „Decke“(Decke) um den Plasmaperimeter, die Neutronen abbremst, ist es möglich, den Raum um den Reaktor herum vollständig zu schützen. Die Decke selbst wird mit der Zeit unweigerlich radioaktiv, aber nicht lange. Nach 20-30 Jahren Ruhezeit erhält man wieder Material mit natürlicher Hintergrundstrahlung.

Keine Kraftstofflecks. Es besteht immer die Gefahr, dass Brennstoff austritt, aber ein Fusionsreaktor benötigt so wenig Brennstoff, dass selbst ein vollständiges Leck die Umwelt nicht gefährdet. Der Start von ITER würde beispielsweise nur etwa 3 kg Tritium und etwas mehr Deuterium erfordern. Selbst im schlimmsten Fall wird sich diese Menge an radioaktiven Isotopen schnell in Wasser und Luft auflösen und niemandem schaden.

Keine Waffen. Ein thermonuklearer Reaktor produziert keine Stoffe, die zur Herstellung von Atomwaffen verwendet werden können. Daher besteht keine Gefahr, dass die Verbreitung thermonuklearer Energie zu einem nuklearen Wettlauf führt.

Wie man die "künstliche Sonne" im Allgemeinen anzündet, wurde bereits in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts klar. Auf beiden Seiten des Ozeans wurden Berechnungen durchgeführt, die die Hauptparameter einer kontrollierten Kernfusionsreaktion festlegen. Es soll bei einer enormen Temperatur von Hunderten von Millionen Grad stattfinden: Unter solchen Bedingungen werden Elektronen aus ihren Kernen gerissen. Daher wird diese Reaktion auch als thermonukleare Fusion bezeichnet. Nackte Kerne, die mit halsbrecherischer Geschwindigkeit miteinander kollidieren, überwinden die Coulomb-Abstoßung und verschmelzen.

Probleme und Lösungen

Die Begeisterung der ersten Jahrzehnte prallte auf die unglaubliche Komplexität der Aufgabe. Der Start der thermonuklearen Fusion erwies sich als relativ einfach - wenn er in Form einer Explosion durchgeführt wurde. Pazifische Atolle und sowjetische Testgebiete in Semipalatinsk und Nowaja Semlja erlebten bereits im ersten Jahrzehnt der Nachkriegszeit die volle Kraft einer thermonuklearen Reaktion.

Aber diese Kraft zu nutzen, außer zur Zerstörung, ist viel schwieriger als die Detonation einer thermonuklearen Ladung. Um thermonukleare Energie zur Stromerzeugung nutzen zu können, muss die Reaktion kontrolliert ablaufen, sodass Energie in kleinen Portionen freigesetzt wird.

Wie kann man das machen? Die Umgebung, in der eine thermonukleare Reaktion stattfindet, wird Plasma genannt. Es ist ähnlich wie Gas, nur besteht es im Gegensatz zu normalem Gas aus geladenen Teilchen. Und das Verhalten geladener Teilchen lässt sich mit elektrischen und magnetischen Feldern steuern.

Daher ist ein thermonuklearer Reaktor in seiner allgemeinsten Form ein Plasmagerinnsel, das in Leitern und Magneten eingeschlossen ist. Sie verhindern das Entweichen des Plasmas, dabei verschmelzen Atomkerne im Plasma, wodurch Energie freigesetzt wird. Diese Energie muss aus dem Reaktor entnommen, zur Erwärmung des Kühlmittels genutzt – und Strom gewonnen werden.

Fallen und Lecks

Plasma erwies sich als die launischste Substanz, mit der die Menschen auf der Erde konfrontiert waren. Jedes Mal, wenn Wissenschaftler einen Weg fanden, eine Art von Plasmaleck zu blockieren, wurde eine neue entdeckt. Die gesamte zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde damit verbracht, zu lernen, das Plasma für längere Zeit im Reaktor zu halten. Dieses Problem trat erst in unseren Tagen auf, als leistungsfähige Computer auftauchten, die es ermöglichten, mathematische Modelle des Plasmaverhaltens zu erstellen.

Es besteht noch kein Konsens darüber, welche Methode für den Plasmaeinschluss am besten geeignet ist. Das bekannteste Modell, der Tokamak, ist eine krapfenförmige Vakuumkammer (wie Mathematiker sagen, ein Torus) mit Plasmafallen innen und außen. Diese Konfiguration wird die größte und teuerste thermonukleare Anlage der Welt haben - den ITER-Reaktor, der derzeit in Südfrankreich gebaut wird.

Neben dem Tokamak gibt es viele mögliche Konfigurationen thermonuklearer Reaktoren: kugelförmig wie im St. Petersburger Globus-M, bizarr gekrümmte Stellaratoren (wie der Wendelstein 7-X am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Deutschland), Laser Trägheitsfallen, wie das amerikanische NIF. Sie erhalten viel weniger mediale Aufmerksamkeit als ITER, haben aber auch hohe Erwartungen.

Es gibt Wissenschaftler, die das Design des Stellarators für grundsätzlich erfolgreicher halten als der Tokamak: Er ist billiger zu bauen, und die Plasma-Einschlusszeit verspricht viel mehr. Der Energiegewinn wird durch die Geometrie der Plasmafalle selbst bereitgestellt, die es ermöglicht, die parasitären Effekte und Lecks zu beseitigen, die dem "Donut" innewohnen. Auch die lasergepumpte Version hat ihre Vorteile.

Der darin enthaltene Wasserstoff-Brennstoff wird durch Laserpulse auf die erforderliche Temperatur erhitzt, und die Fusionsreaktion beginnt fast sofort. Plasma in solchen Installationen wird durch Trägheit gehalten und hat keine Zeit zum Zerstreuen - alles passiert so schnell.

Die ganze Welt

Alle heute weltweit existierenden thermonuklearen Reaktoren sind Versuchsmaschinen. Keiner von ihnen wird zur Stromerzeugung verwendet. Keinem ist es bisher gelungen, das Hauptkriterium für eine thermonukleare Reaktion (Lawson-Kriterium) zu erfüllen: mehr Energie zu erhalten, als für die Entstehung der Reaktion aufgewendet wurde. Daher hat sich die Weltgemeinschaft auf das gigantische ITER-Projekt konzentriert. Wenn das Lawson-Kriterium bei ITER erfüllt ist, wird es möglich sein, die Technologie zu verfeinern und zu versuchen, sie auf kommerzielle Schienen zu übertragen.

Kein Land der Welt könnte ITER alleine bauen. Es braucht allein 100.000 km supraleitender Drähte und auch Dutzende von supraleitenden Magneten und einen riesigen zentralen Solenoid zum Halten von Plasma, ein System zur Erzeugung eines Hochvakuums in einem Ring, Heliumkühler für Magnete, Controller, Elektronik … Projekt baut 35 Länder und gleichzeitig Tausende von wissenschaftlichen Instituten und Fabriken.

Russland ist eines der wichtigsten Länder, die an dem Projekt teilnehmen; in Russland werden 25 technologische Systeme des zukünftigen Reaktors entworfen und gebaut. Dies sind Supraleiter, Systeme zur Messung von Plasmaparametern, Regler und Komponenten des Divertors, dem heißesten Teil der Innenwand des Tokamaks.

Nach dem Start von ITER werden russische Wissenschaftler Zugriff auf alle seine experimentellen Daten haben. Das Echo von ITER wird jedoch nicht nur in der Wissenschaft zu spüren sein: In einigen Regionen sind jetzt Produktionsanlagen entstanden, die es in Russland zuvor nicht gab. Zum Beispiel gab es vor Projektbeginn in unserem Land keine industrielle Produktion von supraleitenden Materialien, und weltweit wurden nur 15 Tonnen pro Jahr produziert. Nur im Mechanischen Werk Tschepetsk des Staatskonzerns "Rosatom" ist es jetzt möglich, 60 Tonnen pro Jahr zu produzieren.

Die Zukunft der Energie und darüber hinaus

Das erste Plasma am ITER soll 2025 empfangen werden. Die ganze Welt wartet auf dieses Ereignis. Aber eine, selbst die stärkste Maschine, ist nicht alles. Auf der ganzen Welt und in Russland bauen sie weiterhin neue thermonukleare Reaktoren, die dazu beitragen werden, das Verhalten von Plasma endlich zu verstehen und den besten Weg zu finden, es zu nutzen.

Bereits Ende 2020 wird das Kurchatov-Institut einen neuen Tokamak T-15MD auf den Markt bringen, der Teil einer Hybridinstallation mit nuklearen und thermonuklearen Elementen wird. Die Neutronen, die in der thermonuklearen Reaktionszone entstehen, werden in der Hybridanlage genutzt, um die Spaltung der schweren Kerne Uran und Thorium einzuleiten. Künftig können mit solchen Hybridmaschinen Brennstoffe für konventionelle Kernreaktoren hergestellt werden – sowohl thermische als auch schnelle Neutronen.

Thorium-Erlösung

Besonders verlockend ist die Aussicht, einen thermonuklearen "Kern" als Neutronenquelle zu verwenden, um den Zerfall von Thoriumkernen einzuleiten. Auf dem Planeten gibt es mehr Thorium als Uran, und seine Verwendung als Kernbrennstoff löst mehrere Probleme der modernen Kernenergie auf einmal.

Daher können die Zerfallsprodukte von Thorium nicht verwendet werden, um militärische radioaktive Materialien herzustellen. Die Möglichkeit einer solchen Nutzung dient als politischer Faktor, der kleine Länder davon abhält, ihre eigene Kernenergie zu entwickeln. Thoriumbrennstoff löst dieses Problem ein für alle Mal.

Plasmafallen können nicht nur in der Energiewirtschaft nützlich sein, sondern auch in anderen friedlichen Industrien - sogar im Weltraum. Jetzt arbeiten Rosatom und das Kurchatov-Institut an Komponenten für ein elektrodenloses Plasmaraketentriebwerk für Raumfahrzeuge und an Systemen zur Plasmamodifikation von Materialien. Die Beteiligung Russlands am ITER-Projekt beflügelt die Industrie, was zur Schaffung neuer Industrien führt, die bereits die Grundlage für neue russische Entwicklungen bilden.