Saubere Energie?

Inhaltsangabe:


Wie könnten wir das Problem mit der „Sauberen„ Energie lösen?
Bei dieser Frage könnte das Forschungsprojekt Iter (International Thermonuklear Expertental Reaktor) helfen. Dieses wird von 7 gleichberechtigten Partnern entwickelt und erforscht. Diese 7 Partner sind die EU (vertreten alle 27 Mitgliedsstaaten und die Schweiz), USA, China, Japan, Russland, Südkorea und Indien. Dies ist eines der größten internationalen Forschungsprojekte, welche es jemals gab.

Was ist Iter genau?

Iter (Lateinisch „Der Weg“) ist ein groß angelegtes Forschungsprojekt, welches versucht mit, Fusionsenergie die erste Kernfusionsanlage zu bauen, welche auf lange Zeit versucht, Nettoenergie zu erzeugen. Die Experimente, die am ITER durchgeführt werden, sind entscheidend, um die Fusionswissenschaft voranzubringen und den Weg für die Fusionskraftwerke von morgen vorzubereiten. Falls das Experiment glückt, sollte Iter ab 2050 markttauglich sein und weltweit das Stromproblem lösen.

Wie funktioniert Iter überhaupt?

Iter wird mit sogenannter Kernfusion betrieben. Im Gegensatz zu einem „Normalen“ Atomkraftwerk (AKW), welches mit Kernspaltung betrieben wird.


[B1 – © by betweenmates]

Bei einer Kernfusion werden unter extrem hohen Temperaturen zwei oder mehrere leichte Atome zu einem schweren Atom verschmolzen.

Die Sonne z. B. gewinnt die meiste ihrer Energie aus Kernfusion. So werden in der Sonne Wasserstoff-Atomkerne zu Heliumkernen. Bei dieser Fusion wird eine enorme Menge an Energie freigesetzt. Diese Energie zeigt sich in Form von Strahlung und Wärme. Das Problem ist jedoch, dass das in der Sonne nur unter enorm hoher Hitze und Druck funktioniert. Auf der Erde ist eine Fusionsreaktion erst bei knapp 150 – 300 Millionen Grad Celsius möglich. Diese Temperatur ist knapp 10 mal so hoch wie in der Sonne. Das heißt, zum Starten dieser Reaktion brauchen wir eine sehr hohe Energiemenge, erst dann wäre das System in der Lage, sich selbst zu erhalten. Bei hohen Temperaturen gehen alle Stoffe in den gasförmigen Zustand, wird die Temperatur weiter erhöht, entsteht Plasma. Deshalb sind die Temperaturen in dieser Plasmakammer bis zu 300 Millionen Grad Celsius. Das Problem an dieser großen Hitze ist, dass kein Material der Welt auch nur ansatzweise dem heißen Plasma standhalten könnte. Hier können wir uns einen speziellen Vorteil von Plasma zu Nutze machen. Plasma ist elektrisch leitend. Somit können wir seine Bewegung mit Elektrischen und Magnetischen Feldern beeinflussen. Deshalb wird in einem Kernfusionsreaktor das heiße Plasma in einem Magnetfeldkäfig „eingesperrt“. So wird das Plasma von den Wänden fern gehalten. Der „Käfig“ muss das heiße Plasma so eng einschließen, dass die Atomkerne oft genug miteinander kollidieren können.

Wie wird das Magnetfeld in der Plasmakammer aufgebaut?

Um dieses starke Magnetfeld aufzubauen, nutzt Iter eine ringförmige Plasmakammer namens Tokamak. Diese besteht aus drei verschiedene Layern an Magneten.


[B2 – © by IPP]

Das erste ist ein ringförmiges Feld, welches durch die äußere Spule (Vertikalfeldspule) erzeugt wird. Gemeinsam mit dem zweiten Magnetfeld, welches durch die in der Mitte liegenden Transformatorspulen erzeugt wird, entsteht ein kombiniertes Magnetfeld, welches um die Magnetfeldlinien läuft. Aus diesen zwei Magnetfeldern entsteht ein kombiniertes Magnetfeld, welches um die Magnetfeldlinien läuft. Dieses kombinierte Magnetfeld stellt die Verdrillung der Magnetfeldlinien her, welche benötigt wird, um das Plasma einzuschließen. Das dritte Magnetfeld wird durch diese Vertikalfeldspulen erzeugt und fixiert die Lage des Plasmas. Bei einer Tokamak-Plasmakammer muss aber auch durch das Plasma ein gewisser elektrischer Strom fließen. Dieser elektrische Fluss wird ebenfalls durch die Transformatorspulen erzeugt. Somit wirkt das Plasma wie die sekundäre Wicklung eines Transformators. Der Plasmastrom wird benötigt, um den Einschluss des Plasmas zu verstärken.

Wie wird das Plasma erhitzt?

Zur Aufheizung des Plasmas gibt es verschiedene Möglichkeiten:

  • Ohmsche Heizung
    Die Ohmsche Heizung funktioniert aufgrund des Plasmastroms. Dieser bewirkt zwangsläufig eine Erhitzung des Plasmas. Dies funktioniert gleich wie bei einem Heizstrahler, in dessen Inneren ein Draht erhitzt wird. Mit dem Anstiegt der Temperatur des Plasmas, nimmt der elektrische Widerstand des Plasmas ab und die Heizung wird uneffektiv. Mit der Ohmschen Heizung kann man ungefähr 20 -30 Millionen Grad Celsius erreichen. Um die Temperatur zu erhöhen, braucht man dann eine andere Variante.
  • Neutralteilcheninjektion
    Bei der Neutralteilcheninjektion werden Atome oder Moleküle beschleunigt und in das heiße Plasma geschossen. Die Atome werden auf ihrem Weg in das Plasma ionisiert und so durch das Magnetfeld gefangen. Die Moleküle kollidieren mit den Plasmateilchen und erhitzen das Plasma so. Für die Neutralteilcheninjektion kommen vor allem Deuterium (H²)- und Tritium (H³)-Atome in Frage, diese füllen auch direkt den Brennstoff nach.
  • Magnetische Kompression
    Durch plötzliche Erhöhung des Druckes, können sich Gase aufheizen. Dieses System funktioniert auch bei Plasma, wenn das Magnetfeld stärker wird. Im Iter wird die Kompression erreicht, in dem das Plasma nach innen „verschoben“ wird und somit in einer Zon mit höherer Magnetischer Feldstärke. Durch die Kompression werden außerdem die Ionen näher aneinander „geschoben“, somit wird die für die Fusion erforderliche Dichte leichter erreicht.
  • Mikrowellenheizung
    Bei der Mikrowellenheizung, auch Zyklotron-Resonanzheizung genannt, werden Hochfrequente wellen von geeigneter Frequenz und Polarisation durch Mirkowellen-Oszilatoren (meist ein Gyrotron) außerhalb des Torus, also außerhalb der Plasmakammer, erzeugt. Ihre Energie wird auf die geladenen Teilchen in dem Plasma übertragen werden. Diese Teilchen kollidieren wiederum mit anderen Teilchen und erhöhen so die Temperatur. Dabei gibt es verschiedenen Methoden, je nachdem, ob man die Energie auf die Elektronen oder die Ionen des Plasmas Übertagen will.

Ein Teil der Reaktionsenergie, hauptsächlich die Rückstoßenergie, wird genutzt um das Plasma zu heizen und Energieverluste zu Wand auszugleichen. Die restliche Temperatur wird von einer der oben genannten Methoden erreicht. In einem Tokamak setzt die Brennzeit, aufgrund der geringen Dichte und der Energieeinschusszeit, erst bei über 10 keV, also über 100 Millionen Grad Celsius, ein und muss für jeden Puls auf eine andere Weise erreicht werden.


Warum kann der Tokamak nicht ständig Laufen?

Das liegt an dem Plasmastrom. Das Plasma wirkt als Sekundärwicklung eines Transformators. Als Primärwicklung kommen die, in der Mitte verbauten, Transformatorspulen (s. o.) in einsatz. Ein Transformator kann allerdings keinen Dauerstrom liefern, da man den Primärstrom nicht steigern kann. Nach einiger Zeit muss der Transformator also abschalten und neu geladen werden. Während dieser Pause geht das Plasma verloren und man muss die Kernfusion danach neu zünden. Das bedeutet, dass der Tokamak gepulst arbeitet.

Wie gefährlich ist Iter?

Würde das Plasma die Kammerwand schmelzen, wäre es nicht so gefährlich, als würde ein Atomkraftwerk beschädigt werden. Bei einer Kernfusion werden Deuterium (²H) und Tritium (³H) zu Helium (⁴He) fusioniert. Der einzige gefährliche Atomkern, in dieser Zusammensetzung, ist Tritium. Tritium ist radioaktiv, hat aber im Gegensatz zu angereichertem Uran (²³⁵U), welches eine Halbwertszeit von ca. 24000 Jahre, nur ca. 12 Jahre Halbwertszeit. Demnach würde ein Unfall in Iter keine so schweren Folgen mit sich bringen wie z. B. die Explosionen der AKWs Tschernobyl oder Fukushima.


Mein Fazit

Die Fusionsreaktion ist die einzige Energiequelle, welche noch nicht erforscht ist. Ich glaube, dass wir mit der Fusionsenergie unser Problem der Sauberer Energie lösen könnten. Allerdings müssten die Teilnehmenden Länder, meiner Meinung nach, mehr Power und Geld in diese Forschung stecken.


Quellen:

Bildquellen:

Author: Joshua

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