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In Atomkraftwerken wird Energie aus der Spaltung schwerer Kerne wie Uran gewonnen. Bei der ...
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In Atomkraftwerken wird Energie aus der Spaltung schwerer Kerne wie Uran gewonnen. Bei der ...

... Kernfusion geschieht das Gegenteil: Leichte Atomkerne verschmelzen zu schwereren - unter Freigabe von Energie.
2 / 32 (Foto: Borb/Wikipedia/CC BY-SA 3.0)

... Kernfusion geschieht das Gegenteil: Leichte Atomkerne verschmelzen zu schwereren - unter Freigabe von Energie.

Nach diesem Prinzip funktioniert die Wasserstoffbombe. Aber auch ...
3 / 32 (Foto: picture alliance / dpa)

Nach diesem Prinzip funktioniert die Wasserstoffbombe. Aber auch ...

... unsere Sonne setzt auf diese Weise ihre gewaltigen Energiemengen frei. Zwei Wasserstoffkerne kommen dort so nahe zusammen, dass sie zu einem Heliumkern verschmelzen. Konkret sind es 600 Millionen Tonnen Wasserstoff, die zu 596 Millionen Tonnen Helium verbrennen - pro Sekunde. Vier Millionen Tonnen Sonnenmasse verwandeln sich dabei in Energie.
4 / 32 (Foto: NASA)

... unsere Sonne setzt auf diese Weise ihre gewaltigen Energiemengen frei. Zwei Wasserstoffkerne kommen dort so nahe zusammen, dass sie zu einem Heliumkern verschmelzen. Konkret sind es 600 Millionen Tonnen Wasserstoff, die zu 596 Millionen Tonnen Helium verbrennen - pro Sekunde. Vier Millionen Tonnen Sonnenmasse verwandeln sich dabei in Energie.

Das Sonnenfeuer auf der Erde zu entfachen, das ist das Ziel von Kernfusionskraftwerken. Die Reaktoren sollen mit den beiden schweren Wasserstoffvarianten Deuterium und Tritium arbeiten.
5 / 32 (Foto: Dirk Hünniger/Wikipedia/CC BY-SA 3.0)

Das Sonnenfeuer auf der Erde zu entfachen, das ist das Ziel von Kernfusionskraftwerken. Die Reaktoren sollen mit den beiden schweren Wasserstoffvarianten Deuterium und Tritium arbeiten.

Deuterium lässt sich aus Meerwasser gewinnen, Tritium wird aus Lithium hergestellt.
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Deuterium lässt sich aus Meerwasser gewinnen, Tritium wird aus Lithium hergestellt.

Bei der Fusionsreaktion verschmelzen ein Deuteriumkern (bestehend aus einem Proton und einem Neutron) und ein Tritiumkern (ein Proton, zwei Neutronen) zu einem instabilen Helium-5-Kern. Dieser zerplatzt in ein Neutron und einen stabilen Heliumkern. Dabei wird Energie frei. Die gibt das Neutron, das ...
7 / 32 (Foto: Lamiot/Wikipedia/CC BY-SA 3.0)

Bei der Fusionsreaktion verschmelzen ein Deuteriumkern (bestehend aus einem Proton und einem Neutron) und ein Tritiumkern (ein Proton, zwei Neutronen) zu einem instabilen Helium-5-Kern. Dieser zerplatzt in ein Neutron und einen stabilen Heliumkern. Dabei wird Energie frei. Die gibt das Neutron, das ...

... an der Reaktorwand gebremst wird, in Form von Wärme ab. Damit kann Dampf erzeugt werden, welcher durch Turbinen geleitet wird und so Strom erzeugt.
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... an der Reaktorwand gebremst wird, in Form von Wärme ab. Damit kann Dampf erzeugt werden, welcher durch Turbinen geleitet wird und so Strom erzeugt.

Ein Gramm Brennstoff kann auf diese Weise so viel Energie freisetzen wie acht Tonnen Erdöl oder ...
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Ein Gramm Brennstoff kann auf diese Weise so viel Energie freisetzen wie acht Tonnen Erdöl oder ...

... elf Tonnen Kohle, nämlich 90.000 Kilowattstunden. Diese Energie reicht, um ...
10 / 32 (Foto: picture alliance / dpa)

... elf Tonnen Kohle, nämlich 90.000 Kilowattstunden. Diese Energie reicht, um ...

... drei bis sechs Einfamilienhäuser ein Jahr lang mit Heizung und Warmwasser zu versorgen. Allerdings verschluckt die Kernfusion auch große Mengen Energie: Der Brennstoff, das Gas, muss mindestens 100 Millionen Grad Celsius heiß sein. Diese Temperatur muss zunächst einmal erzeugt werden - was schwer genug ist. Danach gilt es, sie aufrechtzuerhalten. Als 1991 ...
11 / 32 (Foto: picture-alliance/ dpa)

... drei bis sechs Einfamilienhäuser ein Jahr lang mit Heizung und Warmwasser zu versorgen. Allerdings verschluckt die Kernfusion auch große Mengen Energie: Der Brennstoff, das Gas, muss mindestens 100 Millionen Grad Celsius heiß sein. Diese Temperatur muss zunächst einmal erzeugt werden - was schwer genug ist. Danach gilt es, sie aufrechtzuerhalten. Als 1991 ...

... im JET-Laboratorium in England erstmals Energie aus kontrollierter Kernfusion gewonnen wurde, belief sich die Ausbeute auf etwa 1,8 Millionen Watt. Um die Fusion zu erreichen und zu erhalten, benötigte der Reaktor auch 1997 noch deutlich mehr Energie als er lieferte. Eine positive Energie-Bilanz ...
12 / 32 (Foto: picture-alliance / dpa)

... im JET-Laboratorium in England erstmals Energie aus kontrollierter Kernfusion gewonnen wurde, belief sich die Ausbeute auf etwa 1,8 Millionen Watt. Um die Fusion zu erreichen und zu erhalten, benötigte der Reaktor auch 1997 noch deutlich mehr Energie als er lieferte. Eine positive Energie-Bilanz ...

... ist bis heute das Problem. Der internationale Forschungsreaktor ITER, der im südfranzösischen Cadarache aufgebaut wird, soll sie erreichen. (Hier der Reaktor im Schnitt mit einer Person rechts unten zum Größenvergleich.)
13 / 32 (Foto: Fabien1309/Wikipedia/CC BY-SA 2.0 fr)

... ist bis heute das Problem. Der internationale Forschungsreaktor ITER, der im südfranzösischen Cadarache aufgebaut wird, soll sie erreichen. (Hier der Reaktor im Schnitt mit einer Person rechts unten zum Größenvergleich.)

Läuft alles nach Plan, könnte im Nachfolgekraftwerk DEMO dann in etwa 30 Jahren erstmals Strom aus Kernfusion erzeugt werden. Mit kommerziellen Kraftwerken rechnen die Forscher nicht vor 2060.
14 / 32 (Foto: picture-alliance/ dpa)

Läuft alles nach Plan, könnte im Nachfolgekraftwerk DEMO dann in etwa 30 Jahren erstmals Strom aus Kernfusion erzeugt werden. Mit kommerziellen Kraftwerken rechnen die Forscher nicht vor 2060.

In Deutschland ist die Experimentieranlage Wendelstein 7-X am Start, ein anderer Reaktortyp als ITER. Den Forschern des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald geht es darum, die Eigenschaften des Brennstoffs unter bestimmten Bedingungen und im Dauerbetrieb zu untersuchen. Dafür wollen sie ...
15 / 32 (Foto: picture alliance / dpa)

In Deutschland ist die Experimentieranlage Wendelstein 7-X am Start, ein anderer Reaktortyp als ITER. Den Forschern des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald geht es darum, die Eigenschaften des Brennstoffs unter bestimmten Bedingungen und im Dauerbetrieb zu untersuchen. Dafür wollen sie ...

... extrem dünnes Gas bei 100 Millionen Grad Celsius durch die Anlage jagen und es kurz vor den Fusionspunkt bringen. Warum sind ...
16 / 32 (Foto: picture alliance / dpa)

... extrem dünnes Gas bei 100 Millionen Grad Celsius durch die Anlage jagen und es kurz vor den Fusionspunkt bringen. Warum sind ...

... für eine Kernfusion so hohe Temperaturen und damit so viel Energie nötig? Das physikalische Problem bei der Kernfusion ist die gegenseitige elektrische Abstoßung der immer positiv geladenen Atomkerne. Um diese Abstoßung zu überwinden, müssen ...
17 / 32 (Foto: Yikrazuul/Wikipedia/gemeinfrei)

... für eine Kernfusion so hohe Temperaturen und damit so viel Energie nötig? Das physikalische Problem bei der Kernfusion ist die gegenseitige elektrische Abstoßung der immer positiv geladenen Atomkerne. Um diese Abstoßung zu überwinden, müssen ...

... die Kerne mit hoher Geschwindigkeit aufeinander zufliegen. Das gelingt, wenn das Gasgemisch auf die genannten Temperaturen von 100 bis 200 Millionen Grad Celsius gebracht wird. Denn bei hohen Temperaturen haben die Kerne eine höhere Bewegungsenergie und sind folglich schneller.
18 / 32 (Foto: picture alliance / dpa)

... die Kerne mit hoher Geschwindigkeit aufeinander zufliegen. Das gelingt, wenn das Gasgemisch auf die genannten Temperaturen von 100 bis 200 Millionen Grad Celsius gebracht wird. Denn bei hohen Temperaturen haben die Kerne eine höhere Bewegungsenergie und sind folglich schneller.

Bereits bei etwa 10.000 Grad Celsius werden die Gasatome ionisiert. Dann bewegen sich Protonen und Elektronen getrennt voneinander. Diesen Zustand nennt man Plasma.
19 / 32 (Foto: IPP)

Bereits bei etwa 10.000 Grad Celsius werden die Gasatome ionisiert. Dann bewegen sich Protonen und Elektronen getrennt voneinander. Diesen Zustand nennt man Plasma.

Mit Magnetfeldern (grüne Pfeile) lässt sich das Plasma (magenta) einschließen, ohne dass es mit den Wänden des Fusionsreaktors in Berührung kommt. Das ist unabdingbar, weil ...
20 / 32 (Foto: Max-Planck Institut für Plasmaphysik/Wikipedia/CC BY-SA 3.0)

Mit Magnetfeldern (grüne Pfeile) lässt sich das Plasma (magenta) einschließen, ohne dass es mit den Wänden des Fusionsreaktors in Berührung kommt. Das ist unabdingbar, weil ...

... das Plasma an materiellen Wänden sofort wieder abkühlen würde. Um es ...
21 / 32 (Foto: picture alliance / dpa)

... das Plasma an materiellen Wänden sofort wieder abkühlen würde. Um es ...

... auf die für die Fusion nötigen Temperaturen zu erhitzen, strahlt man hochfrequente Radio- oder Mikrowellen ein oder beschießt das Plasma mit Teilchenstrahlen. Es hängt aber nicht allein ...
22 / 32 (Foto: Michael Czerwinski/Wikipedia/CC BY-SA 3.0)

... auf die für die Fusion nötigen Temperaturen zu erhitzen, strahlt man hochfrequente Radio- oder Mikrowellen ein oder beschießt das Plasma mit Teilchenstrahlen. Es hängt aber nicht allein ...

... von der Temperatur ab, ob das Plasma "brennt" und dann durch Fusion schließlich mehr Energie erzeugt als zum Aufheizen verbraucht wird. Wichtig ist noch ...
23 / 32 (Foto: Culham Centre for Fusion Energy/www.fusion.org.uk/MAST.aspx/CC BY-SA 3.0)

... von der Temperatur ab, ob das Plasma "brennt" und dann durch Fusion schließlich mehr Energie erzeugt als zum Aufheizen verbraucht wird. Wichtig ist noch ...

... ein weiterer Faktor: eine ausreichende Plasma-Dichte. Sie wird durch einen bestimmten Druck erreicht. Mit steigender Dichte nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass sich zwei Kerne treffen. Außerdem spielt die ...
24 / 32 (Foto: ipp.mpg.de/Wikipedia/CC BY-SA 3.0)

... ein weiterer Faktor: eine ausreichende Plasma-Dichte. Sie wird durch einen bestimmten Druck erreicht. Mit steigender Dichte nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass sich zwei Kerne treffen. Außerdem spielt die ...

... "Energieeinschlusszeit" eine Rolle. Sie gibt an, wie gut das Plasma gegen Wärmeverluste isoliert ist. Erst wenn ...
25 / 32 (Foto: imago/Jens Koehler)

... "Energieeinschlusszeit" eine Rolle. Sie gibt an, wie gut das Plasma gegen Wärmeverluste isoliert ist. Erst wenn ...

... Temperatur, Dichte und Energieeinschlusszeit ausreichend hoch sind, läuft eine Fusionsreaktion dauerhaft und von selbst ab. Bislang ist man diesen Bedingungen zwar nahe gekommen, hat sie aber noch nie erfüllt.
26 / 32 (Foto: IPP)

... Temperatur, Dichte und Energieeinschlusszeit ausreichend hoch sind, läuft eine Fusionsreaktion dauerhaft und von selbst ab. Bislang ist man diesen Bedingungen zwar nahe gekommen, hat sie aber noch nie erfüllt.

Als Energiequelle hat die Kernfusion durchaus Vorteile: Die CO2-Bilanz fällt - nach einer Studie von 2001 - ähnlich aus wie für Windkraft. Treibhausgase werden vor allem beim Reaktorbau verursacht.
27 / 32 (Foto: imago/Westend61)

Als Energiequelle hat die Kernfusion durchaus Vorteile: Die CO2-Bilanz fällt - nach einer Studie von 2001 - ähnlich aus wie für Windkraft. Treibhausgase werden vor allem beim Reaktorbau verursacht.

Tritium aber - und das ist ein Nachteil der Kernfusion - ist radioaktiv. Während es jedoch bei Plutonium und Uran Hunderte oder Tausende Jahre dauert, bis die Strahlung halbiert ist, hat Tritium eine Halbwertszeit von nur 12,3 Jahren. Dennoch muss sichergestellt sein, dass es nicht aus der Fusionsanlage entweichen kann. Außerdem ...
28 / 32 (Foto: picture-alliance/ dpa)

Tritium aber - und das ist ein Nachteil der Kernfusion - ist radioaktiv. Während es jedoch bei Plutonium und Uran Hunderte oder Tausende Jahre dauert, bis die Strahlung halbiert ist, hat Tritium eine Halbwertszeit von nur 12,3 Jahren. Dennoch muss sichergestellt sein, dass es nicht aus der Fusionsanlage entweichen kann. Außerdem ...

... aktivieren die bei der Fusion freigesetzten Neutronen Reaktorbestandteile. Das Plasmagefäß strahlt also und wird im Laufe der Zeit immer spröder. Es muss regelmäßig ausgetauscht werden. Geplant ist, ...
29 / 32 (Foto: picture-alliance / dpa/dpaweb)

... aktivieren die bei der Fusion freigesetzten Neutronen Reaktorbestandteile. Das Plasmagefäß strahlt also und wird im Laufe der Zeit immer spröder. Es muss regelmäßig ausgetauscht werden. Geplant ist, ...

... den radioaktiven Müll im Reaktorgebäude selbst zwischenzulagern. Bei 90 Prozent des Abfalls wäre die Radioaktivität nach 50 Jahren weitgehend abgeklungen, die übrigen 10 Prozent allerdings müssten schließlich mindestens 100 Jahre lang in unterirdischen Endlagern aufbewahrt werden.
30 / 32 (Foto: picture alliance / dpa)

... den radioaktiven Müll im Reaktorgebäude selbst zwischenzulagern. Bei 90 Prozent des Abfalls wäre die Radioaktivität nach 50 Jahren weitgehend abgeklungen, die übrigen 10 Prozent allerdings müssten schließlich mindestens 100 Jahre lang in unterirdischen Endlagern aufbewahrt werden.

Zum Vergleich: Aktuelle Atomkraftwerke strahlen mehrere tausend Jahre lang. Ein GAU, ...
31 / 32 (Foto: picture alliance / dpa)

Zum Vergleich: Aktuelle Atomkraftwerke strahlen mehrere tausend Jahre lang. Ein GAU, ...

... wie die Explosion des Kernkraftwerks Tschernobyl, droht bei einem Fusionskraftwerk jedenfalls nicht. Die Verschmelzung der Atomkerne läuft eben nicht selbsttätig ab. Sobald die hohe Temperatur nicht mehr aufrechterhalten wird, endet die Reaktion. Die Hitze zu mindern, geht vergleichsweise einfach: Man lässt das Plasma gegen die Wand fahren. Dann ist die Fusion beendet. (asc)
32 / 32 (Foto: imago/bonn-sequenz)

... wie die Explosion des Kernkraftwerks Tschernobyl, droht bei einem Fusionskraftwerk jedenfalls nicht. Die Verschmelzung der Atomkerne läuft eben nicht selbsttätig ab. Sobald die hohe Temperatur nicht mehr aufrechterhalten wird, endet die Reaktion. Die Hitze zu mindern, geht vergleichsweise einfach: Man lässt das Plasma gegen die Wand fahren. Dann ist die Fusion beendet. (asc)

Donnerstag, 10. Dezember 2015

Energiequelle der Zukunft? So funktioniert Kernfusion

Atomkerne lassen sich nicht nur spalten, sondern auch miteinander verschmelzen. Der technische Aufwand ist hoch. Eines Tages aber soll er sich lohnen: Kernfusion könnte maßgeblich zur Energieversorgung der Zukunft beitragen.
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