Unsere Welt zu verstehen:  Kernfusionstechnik Schiffe

 

 
Hin zu praktikabler

Kernfusionstechnik

— hmsgnr059z

 
 
Schon seit etwa 1960 denken Physiker darüber nach, wie es möglich sein könnte, auf der Erde zur Gewinnung von Energie denselben Prozess zu nutzen, den auch unsere Sonne nutzt: Kerfusion.
 
Dennoch gelang es erst am 9. November 1991 — am europäischen Experimentalreaktor JET ("Joint European Torus") im englischen Culham — erstmals, Fusions­energie freizusetzen: Natürlich nur in extrem kleinem Umfang.
 
 
Derzeit (2011) ist ITER das fortschrittlichste Kernfusionsprojekt (2006 begonnen als Gemeinschaftsprojekt von EU, USA, China, Japan, Südkorea, Russland und Indien). Mit Kosten von etwa 16 Mrd. Euro handelt es sich dabei — neben dem Manhatten Project und der internationalen Raumstation ISS — um eines der drei teuersten Projekte der Wissenschaftsgeschichte.
 
Zum Einsatz kommt ein Verfahren, in dessen Verlauf heißes Plasma aus Wasserstoffgas in ein Magnetfeld eingeschlossen wird. Deswegen sieht der ITER aus wie ein riesiger Donut. In seinem Inneren zirkulieren Wasserstoffgas, und um seine Oberfläche winden sich gewaltige Drahtspulen. Sie werden abgekühlt, bis sie supraleitend werden. Dann wird eine enorme Menge elektrischer Energie in sie hineingepumpt, um so ein Magnetfeld zu erzeugen, welches das Plasma im Donut einschließt. Je stärker das Magnetfeld, desto mehr wird das Gas zusammengedrückt. Es erhitzt sich so bis auf Temperaturen, wie sie im Inneren von Sternen — der Sonne etwa — auftreten.
 

Interessant ist vor allem die Aussicht auf eine billige Energiequelle für den ITER: Als Brennstoff für Kernfusionsreaktoren kann nämlich gewöhnliches
Meerwasser genutzt werden (da es reich an Wasserstoff ist).
 
Dies begründet die Hoffnung, dass uns technisch gut berrschbare Kernfusion tatsächlich eine unerschöpfliche, billige Energieversorgung bescheren könnte.
 
Man glaubt aber nicht, dass diese Technik vor 2050 kommerziell nutzbar sein wird.

 
Leider lässt Kernfusion sich auch dazu nutzen, Wasserstoffbomben herzustellen. Mit Hilfe extrem starker Laser und einer Reihe kleiner Spiegel in einer nur pfefferkorn-großen Hohlkapsel werden Temperaturen erzeugt, wie sie in Inneren der Sonne herrschen. In der Kapsel befindet sich der möglichst wasserstoffreiche Brennstoff der Bombe (z.B. Lithiumdeuterid). Das konzentrierte Laserlicht verbrennt und verdampft die Oberfläche der Kapsel und drückt ihren Inhalt zusammen. Hierbei entsteht eine Schockwelle, die zum Kern der Kapsel vordringt und dort Temperaturen von einigen Millionen Grad erzeugt. Sie reichen aus, Wasserstoffkerne in Helium zu verwandeln.
 
Man nennt dieses Verfahren das Trägheitseinschlussverfahren. Mit seiner Hilfe lassen sich riesige Menge von Energie (und auch Neutronen) freisetzen. Bei Verwen­dung von Lithiumdeuterid als Brennstoff können Temperaturen bis zu 100 Mio Grad entstehen. Seine Dichte übertrifft die von Blei um das 20-fache.
 
Wollte man versuchen, auf diesem Wege Energie zu erzeugen, würde man Neutronen auf die kugelförmige Kapsel schießen. Dies würde ihren Mantel aufheizen. Er würde Wasser zum Kochen bringen, so dass mit dem so entstehenden Dampf eine Turbine getrieben werden könnte. Das Problem liegt jedoch in der sehr einge­schränkten Fokussierung: Solch starke Kraft nämlich lässt sich gleichmäßig nur auf ein winziges Hohlkügelchen richten. Der erste ernsthafte Versuch, auf diesem Wege Laserfusion zu erreichen, war der Shiva-Laser (ein System aus 20 Laserstrahlen).
 
Der Shiva-Laser wurde später durch den 10-fach stärkeren Nova-Laser ersetzt. Aber auch er scheiterte an der Aufgabe, den Kapselinhalt richtig zu zünden. Dennoch ebenete er den Weg für die gegenwärtige Forschung der National Ignition Facility (NIF) der USA. Ihr Bau begann 1997, in Betrieb ging sie 2009. Diese monströse Maschine arbeitet mit 192 Laserstrahlen, über die es gelingt, bis zu 700 Billionen Watt zu bündeln (Michio Kaku schreibt, dies entspreche "dem Ausstoß von 700000 großen Atomkraftwerken konzentriert in einer einzigen Energiexplosion").
 
Eine der größten Schwierigkeiten des Verfahrens besteht darin, dass das Quetschen der Plasmablase absolut gleichmäßig erfolgen muss (es entspricht dem Quet­schen eines Luftballons mit dem Ziel, hierbei seine Kugelform bestmöglich zu erhalten: aber wo man auch drückt, daneben wölbt er sich nach außen, und so auch im NIF (statt die Form einer Kugel hat man deswegen nur die Form einer Donut erreicht).
 
Dennoch: Das NIF ist ein Lasersystem auf dem neuesten Stand der Technik, welches insbesondere auch die Detonation einer Wasserstoffbombe simulieren kann. Dass die USA sich dieses Werkzeug leisten, liegt natürlich auch daran, dass man hofft, damit zu lernen, eine reine Kernfusionsbombe zu bauen (eine Bombe also, die weder Uran noch Plutonium benötigt, den Kernfusionsprozess zu starten).
 
 

PS: Als Vater des Gedankens einer Wasserstoffbombe gilt übrigens Edward Teller (auf dessen Drängen man Robert Oppenheimer — den wissenschaftlichen Leiter des Manhattan Projekts — an keinem Projekt zur Atomwaffenforschung mehr mitarbeiten ließ: Er wurde aus dem Amt gejagt, weil er vor einem Einsatz der Wasserstoff­bombe gewarnt und sich damit Teller sowie ein führendes Mitglied der United States Atomic Energy Commission, Lewis Strauss, zu erbitterten Feinden gemacht hatte).
 
Strauss jedenfalls hat Oppenheimers weiteren Lebensweg von da an auf jede ihm mögliche Weise erschwert.

 
Da Wasserstoffbomben stufenweise gezündet werden — jede von ihnen also eine Hierarchie zunehmend kräftigerer Explosionen verursachen kann — ließen sich, im Prinzip wenigstens, Atombomben nahezu beliebiger Stärke herstellen. Genauer:
 

Kern jeder Wasserstoffbombe ist ein Sprengsatz vom Typ der Hiroshima-Bombe. Bei seiner Zündung kommt es zu einem starken Ausbruch von Röntgen­strahlung, welche — da sie sich als kugelförmige Energieportion mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt — den Wettlauf mit der zerstörenden Wirkung der Bombe gewinnt und so auf einen noch intakten Behälter mit Lithiumdeuterid trifft (den "sauberen" Brennstoff der Wasserstoffbombe). Es kollabiert und heizt sich dabei auf einige Millionen Grad auf, was zu einer zweiten, noch weit mächtigeren Explosion führt. Da deren Ausbruch von Röntgenstrahlung einen weiteren Behälter mit Litiumdeuterid erreichen könnte, kann so — geeignetes Design der Bombe vorausgesetzt — eine ganze Folge ähnlich starker, fast gleichzeitig eintretender Explosionen erreicht werden.

 
Tatsache ist: Nur wenige Jahre nach Ende des 2. Weltkriegs hatten sowohl die USA als auch die Sowjetunion gelernt, Wasserstoffbomben zu bauen. Die stärkste jemals (zum Test) gezündete war eine sowjetische Zweistufenbombe, die bei ihrer Zündung eine Energie von 50 Mio Tonnen TNT freisetzte (theoretisch aber sogar doppelt so große Kapazität hatte — was etwa der 5000-fachen Sprengkraft der Hiroshima-Bombe entspricht).
 
Dass die Fähigkeit der Menschen, derart starke Bomben zu bauen, eher Fluch als Segen ist, scheint offensichtlich. Dennoch ist nicht auszuschließen, dass man diese Technologie auch einmal nutzen muss, Himmelskörper zu zerstören, die drohen, mit der Erde zu kollidieren. Es lässt sich ja schließlich nicht ausschließen, dass irgendwann ein ganz besonders großer Meteorid mit Kurs auf unsere Erde entdeckt wird. Was er anrichten könnte, wenn er z.B. im dicht besiedelten Europa einschlüge, kann man sich vorstellen.
 
 
 
Quelle (i.W.):

• Michio Kaku: Die Physik des Unmöglichen, Rowohlt (2008), Seite 71-79

 
 
 
Kernfusionstechnik soll schon 2030 Schiffe antreiben
 
2014: Der US-amerikanische Rüstungskonzern Lockheed Martin hat einen Durchbruch bei der Kernfusionstechnik bekannt gegeben.

 
 
Vorsicht aber: Wie der in [1] und [2] beschriebene Fortschritt entsprechender Forschung am MIT zeigt, könnte man bei Lockheed Martin den eigenen Fortschritt etwas zu optimistisch beurteilt haben.

 

• On its final day of operations in Oct 2016, MIT's fusion reator prototype C-Mod was breaking new scientific ground: That morning, the team operating the reactor broke the world record for plasma pressure achieved in a magnetically confined field.
   
  The pressure inside C-Mod was 2.05 atmospheres — better, by a factor of 2, than every other tokamak in the world.
  These other reactors are 20 to 100 times larger in volume than C-Mod, ITER will be 800 times the volume of C-Mod.
   
  The temperature achieved in C-Mod was 35 million degrees.
   
• Note: Fusion reactions are slow until the fuel is heated to "over 100 million degrees — far hotter than the core of the sun". Then electrons in the fuel atoms are stripped of their nuclei and the gas becomes a plasma, the fourth state of matter. At these temperatures, magnetic fields are the only reliable way to insulate hot plasma from material walls of the reactor. "We’ve attained the necessary plasma densities and temperatures in C-Mod," says Greenwald at MIT. "But Alcator reactors are relatively small. They produce about as much fusion power as they consume."

 
Mit anderen Worten:
 
Das eigentliche Problem bisheriger Kernfusionsreaktoren ist weniger ihre Machbarket
 
als vielmehr ihr noch viel zu geringer Wirkungsgrad.
 
 
Derzeit (2016) gibt es nur Forschungsanlagen. Die Anlage ITER in Südfrankreich soll mal 500 MW bringen, aber auch das ist nur für Untersuchungen gedacht (zudem ist die Anlage noch im Bau). Zum Vergleich: ein AKW wie z.B. Grohnde (Niedersachsen) hat eine Nettoleistung von über 1300 MW. Aber auch Atomkraftwerke haben mal klein angefangen, der Reaktor Obninsk 1 (damals noch in der Sowjetunion) hatte gerade mal 5 MW.
 
 
Generelle Überlegungen zu denkbarer Kerfusionstechnik:

 

• Teure Utopie oder Energie der Zukunft?

 
Was man derzeit an Erfolgen schon verbuchen konnte:

 

• Wendelstein 7-X erzielt höchstes Fusionsprodukt eines Reaktors vom Typ » Stellarator «.

 
Über aktuelle Fortschritte wird z.B. berichtet in:

 

• Summarized HISTORY OF FUSION POWER
   
• Is this a Solution to Stabilize Nuclear Fusion? (2017)  /m  /M
   
• Chinas Fusionsreaktor soll 2020 als funktionsfähiger Prototyp existieren (so wird im Dez 2019 berichtet, 2018 war von Ende 2019 gesprochen worden)
   
• China completes new tokamak
   
• Okt. 2021: In Zusammenarbeit mit dem Start-up Commonwealth Fusion Systems (CFS) konnten Physiker am MIT ein Magnetfeld bisher unerreichter Stärke erzeugen: eines mit 20 Tesla Flussdichte (der ITER-Magnet schafft derzeit erst 8 Tesla). Der Vorteil der MIT-Magnete ist, dass sie Kernfusion auf viel geringerem Raum ermöglichen könnten. Nun will das MIT-Team bis 2025 den Demonstrationsreaktor Sparc bauen. Er ist viel kleiner geplant als ITER und könnte dennoch der weltweit erste Fusionsreaktor sein, der mehr Energie erzeugt als er benötigt.
   
• 2022: JET verdoppelt bisherigen Leistungsrekord aus 1997.
   
• 2022: Nuclear Fusion hit a Milestone — thanks to much better reactor walls.
   
• Sabine Hossenfelder erklärt, warum der noch zu gehende Weg hin zu einem energie-produzierenden Kernfusionsreaktor etwa 100 Mal länger ist, als immer wieder behauptet wird (2022): Aktuelle Prototypen produzieren erst etwa 1 Prozent der Energie, welche sie — nun wirklich ALLES berücksichtigt — für produktiven Betrieb selbst benötigen.
   
• An even more sceptical view: Daniel Jassby: The Quest for Fusion Energy (2022):
   
  There are two broad approaches toward achieving terrestrial fusion. In magnetic confinement fusion (MCF), magnetic fields are used to confine the hot fusion fuel in the form of a fully ionized gas or plasma that persists for seconds or longer. In inertial confinement fusion (ICF), laser or particle beams are used to compress and heat a tiny capsule of fusion fuel to generate a micro-explosion of a nanosecond duration.
   
  25 years ago MCF was thought to be on the verge of achieving fusion energy breakeven, Q = 1, perhaps even in the JET tokamak. At that time, ICF languished at Q < 0.01. This situation has now been reversed. ICF is performing at breakeven or better, and investigating burning plasmas. By contrast, MCF performance has not advanced in a quarter century.
   
  Based on actual performance, ICF appears to be a far more likely candidate than MCF as the basis for a power plant. MCF may survive as little more than a low-Q neutron source with a dubious tritium supply. ICF also has substantial prospects for eliminating the tritium replenishment issues and adverse neutron effects on reactor structures that plague D-T operation and are unavoidable in MCF systems.
   
  Nevertheless: The technological hurdles for implementing an ICF-based power system are so numerous and formidable that many decades will be required to resolve them — if they can indeed be overcome.
   
   
• 2022: US-Forscher schaffen symbolischen Durchbruch bei Kernfusion
   
  Erstmals haben US-Forscher bei der Kernfusion mehr Energie erzeugt, als für den Vorgang verbraucht wurde.
   
  Wissenschaftlern in den USA ist ein historischer Durchbruch auf dem Feld der Kernfusion gelungen. Erstmals hat man beim Verschmelzen von Atomkernen mehr Energie gewonnen als verbraucht, wie US-Energieministerin Jennifer Granholm am Dienstag in Washington verkündete. "Einfach ausgedrückt ist dies eine der beeindruckendsten wissenschaftlichen Leistungen des 21. Jahrhunderts".
   
  Die Ergebnisse wurden von einem Forscherteam in der staatlichen National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien erzielt und bedeuten einen Meilenstein auf dem Weg zur Erschließung einer neuen Energiequelle.
   
  Die Forschenden in Kalifornien nutzten für ihre Experimente die weltstärkste Laseranlage, um winzige Mengen Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium bei einer Temperatur von etwa 60 Millionen Grad Celsius in Plasma zu wandeln. Die Wasserstoff-Isotope verschmelzen zu Helium und verlieren dabei einen kleinen Teil ihrer Masse in Form von Strahlung. Medienberichten zufolge wurden dabei nun 20 Prozent mehr Energie gewonnen als eingesetzt.
   
  In einigen Jahren, so hofft man nun, wird sich mittels Kernfusion nun wohl wirklich klimaneutral und sicher Strom in riesigen Mengen erzeugt lassen.
   
  Andere sind skeptischer und sagen: » Für die Forschung hochinteressant und ein Durchbruch — für die Anwendung aber noch keineswegs «.
   
  Genauer: Die Rechnung, die da von der Presseabteilung des Lawrence Livermore Laboratoriums für die Energiebilanz aufgemacht wird, berücksichtigt allerdings nicht die Startenergie für den Laser, also die Energie, die notwendig ist, um das Laserlicht herzustellen. Deshalb darf man sich noch keineswegs zu der Annahme verleiten lassen, dass nun der Weg zum Fusionsreaktor und zur Energieversorgung der Zukunft frei wäre:
   
  True is: NIF is still decades away from economically viable fusion.
   
  Was im Experiment tatsächlich erreicht wurde:
   
  The National Ignition Facility in California is a $3.5bn (£2.85bn) experiment. It puts a tiny amount of hydrogen into a capsule the size of a peppercorn. Then a powerful 192-beam laser is used to heat and compress the hydrogen fuel. The laser is so strong it can heat the capsule to 100 million degrees Celsius - hotter than the centre of the Sun, and compress it to more than 100 billion times that of Earth's atmosphere. Under these forces the capsule begins to implode on itself, forcing the hydrogen atoms to fuse and release energy.
   
  On announcing the breakthrough Dr Marvin Adams, deputy administrator for defense programs at the US National Nuclear Security Administration, said that the laboratory's lasers had input 2.05 megajoules (MJ) of energy to the target, which had then produced 3.15 MJ of fusion energy output.