Tag 4: Erarbeitung von Schülervorträgen

Am letzten Tag der Projektwoche beschäftigten wir uns mit selbstgewählten Themen der Kernphysik und erarbeiteten dazu Vorträge.

Hierdurch entstanden Vorträge zu den Themen:

Atomkraft Kernfusion Methoden der Strahlungsmessung Natürliche Fusionsprozesse der Sonne Uranbergbau

Kurzvortrag: Kernfusion

Kernfusion ist eine Alternative zu den bisherigen Energiequellen, weil die dafür notwendigen Rohstoffe (Deuterium und Tritium) als nahezu unerschöpflich gelten. Ein Beispiel für einen natürlichen Fusionsprozess ist unsere Sonne.

Vorgänge bei der Kernfusion

Im Gegensatz zur Kernspaltung, bei der schwere Kerne (z.B. Uran-235) gespalten werden, benötigt man für die Fusion leichte Kerne. Am geeignetsten dafür sind Deuterium und Tritium.

Das als "schwerer Wasserstoff" bezeichnete Deuterium (H-2) besteht aus einem Wasserstoffkern (1 Proton, rot) mit einem zusätzlichen Neutron (blau). Es kann aus den Weltmeeren gewonnen werden, da jeder Liter Meerwasser ca. 13 Gramm Deuterium enthält.

Tritium (H-3), welches (aufgrund der geringen Halbwertszeit von ca. 12 Jahren) in der Natur nicht vorkommt, besitzt zwei Neutronen und wird aus Lithium gewonnen, wodurch es als nahezu unerschöpflich gilt.

Bei der Verschmelzung dieser beiden Kerne wird Energie freigesetzt:
+ + + 17,6 MeV

Dieser Energiegewinn ist mit dem Massendefekt zu erklären: Die Masse eines Atomkerns ist kleiner als die Summe der Massen seiner Bestandteile. Dieser "Massenverlust" tritt in Form von Bindungsenergie der Kernbestandteile auf.

Dieser Masse m kann durch Einsteins berühmte Gleichung eine Energie E zugeordnet werden:

Probleme der technischen Realisierung

Die Fusionsvorgänge in der Sonne laufen bei einer Temperatur von ca. 15 Mio. Grad ab. Diese Temperatur ist notwendig, damit Atomhülle und -kern getrennt werden, d.h. damit ein Plasmagemisch entsteht.

Die Gravitationskraft auf der Erde ist deutlich geringer. Daher wird für den ablaufenden Fusionsvorgang eine Temperatur von mindestens 100 Mio. Grad benötigt. Es gibt keine Materialien, die derartigen Temperaturen für einen längeren Zeitraum standhalten und dadurch eine kontrollierte Fusion ermöglichen. Daher ist die technische Realisierung sehr aufwändig.

Im Gegensatz dazu wurde die unkontrollierte Fusion, d.h. die Freisetzung riesiger Energiemengen in kurzer Zeit, schon längst in Form der Wasserstoffbombe realisiert.

Ansätze der technischen Realisierung

Tokamak-Reaktor

Bei diesem Reaktortyp wird das heiße Plasma in einem Magnetfeld eingeschlossen. Somit kommt keine Berührung mit den Reaktorwänden zustande und das Plasma wird auch nicht durch Fremdatome verunreinigt. Damit das Plasma ringförmig in der torusförmigen Brennkammer fließt, wird eine aufwändige Spulenanordnung benötigt. Zur Aufheizung des Plasmas wird ebenfalls ein Magnetfeld benötigt, welches durch ein weiteres Spulensystem erzeugt werden muss. Daraus resultiert eine sehr komplizierte Spulenanordnung. Aus der heißen Brennkammer wird mit Hilfe eines Wärmetauschers Energie gewonnen, die dann (auf herkömmlichem Weg) in elektrische Energie umgewandelt werden kann.

Als Brennstoff wird Deuterium verwendet. Der Brennstoffinhalt des Fusionsvolumens beträgt nur wenige Gramm. Jede Störung der Reaktionsbedingungen unterbricht den Fusionsprozess. Dies ist einer der Gründe dafür, dass Fusionsreaktoren als deutlich ungefährlicher als Spaltungsreaktoren gelten.

JET

Der experimentelle Reaktor JET (Joint European Torus) ist ein europäisches Projekt. Mit diesem Reaktor gelang es, einen Fusionsprozess bei einer Temperatur von 250 bis 300 Millionen Grad für ca. eine Sekunde aufrecht zu erhalten. Dieser Reaktortyp besitzt eine Fusionsleistung von 12 MW bei Plasmaströmen von bis zu 7 Millionen Ampere. Das Problem liegt darin, dass die notwendige Leistung für die Spulen bei ca. 54 MW liegen, d.h. dieser Reaktor benötigt 3,5 mal mehr Energie, als er erzeugt. Er liefert jedoch wichtige Erkenntnisse, die beim ITER-Projekt verwendet werden können.

ITER

Mit dem ITER (International Thermonuklear Experimental Reaktor) sollen Fusionsprozesse bis zu 1000 Sekunden aufrecht erhalten werden. Die thermische Leistung beträgt bis zu 1,5 Millionen kW. Auch dieser Reaktortyp ist nur experimentell - eine praxistaugliche Energieerzeugung durch Kernfusion wird frühestens mit der nachfolgenden Reaktorgeneration möglich sein.

Probleme bei der Weiterentwicklung der Fusionstechnologie

Fusionsreaktoren sind technisch sehr aufwändig und daher mit enormen Kosten verbunden. Es kann nicht garantiert werden, ob (in absehbarer Zeit) eine Methode gefunden wird, die eine kontinuierliche Arbeitsweise des Reaktors ermöglicht. Die Fusionstechnologie ist daher ein finanzielles Risiko, wodurch die Entwicklungen nur sehr langsam vorangetrieben werden. Selbst unter der Annahme, dass diese Technik in absehbarer Zeit funktioniert, so wird es mindestens noch Jahrzehnte dauern, bis Fusionskraftwerke wirtschaftlich arbeiten und mit herkömmlichen Energiequellen konkurrieren können.

Vorteile der Fusionstechnologie

Trotz aller Probleme bei der technischen Realisierung der Kernfusion gibt es gute Gründe, die Entwicklung dieser Technologie voranzutreiben:

• Kernfusion ist wesentlich ungefährlicher als Kernspaltung, da nur wenige Gramm Brennstoff benötigt werden und jede Störung den Fusionsprozess unterbricht.
• Fusionskraftwerke würden deutlich geringere Mengen an Abfallprodukten erzeugen, die zudem eine deutlich geringere Halbwertszeit besitzen.
• Umweltverschmutzungen, wie bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, treten bei Fusionsvorgängen nicht auf.
• Der weltweite Energiebedarf steigt. Um diesen zu decken, müssen riesige Energiemengen erzeugt werden. Da saubere bzw. regenerative Energien diesen Bedarf (nach dem heutigen Stand der Technik) nicht decken können und Verbrennungskraftwerke (Kohle, Öl ...) eine nicht unerhebliche Luftverschmutzung verursachen, ist man bisher auf Atomkraftwerke angewiesen. Die einzige Alternative zu den leistungsfähigen (aber gefährlichen) Atomkraftwerken wären die Fusionskraftwerke.