Kernergie

Bei Kernfusion und Kernspaltung ergibt sich ein Massendefekt Δm zwischen Ausgangsprodukt und Endprodukt.
Das erzeugt einen Energiegewinn E = Δmc² mit c als Lichtgeschwindigkeit. Als Konsequenz dieser sogenannten Einstein'schen Beziehung erhält man für den Massendefekt von 1 kg die Energie von etwa 9 ×10¹⁶J, was  äquivalent
zur Verbrennung von reichlich 3 Milliarden kg Kohle wäre. Die Gewinnung insbesondere elektrischer Energie durch Kernspaltung ist weit verbreitet, während sich die Energiegewinnung durch Kernfusion  noch im Entwicklungsstadium befindet.

Kernspaltung

Die Uranspaltung geht vom nicht-stabilen Isotop U-235 aus, das durch Beschuss mit langsamen Neutronen in
U-236 überführt wird. Das zerfällt sofort unter Bildung
von Ba-139 und Kr-94 und drei Neutronen, wobei der Massendefekt in Energie umgesetzt wird. Die linke Abbildung ist den ZUM-Unterrichtsmaterialien entnommen, in denen auch eine Animation  für die Kernspaltung angeboten wird.

Ende 2010 waren laut atw weltweit 443 Kernspaltungs-Kraftwerke mit einer Gesamt-Nettoleistung von 396 GW
in Betrieb. 62 Kernkraftwerksblöcke befanden sich im
Bau, 26 davon in China, einer in den USA. Deutschland erzeugte 22,6 % seiner Elektroenergie durch Kernkraft. Andere Länder lagen zwischen 0 % wie Neuseeland und 74 % wie Frankreich. Deutschland plant den Ausstieg
aus der Kernenergie.

Das Risiko einer Kernschmelze wie beim Reaktorunfall 2010 in Japan und die problematische Endlagerung von Abfällen geben Anlass zu ernsthaften Bedenken gegen den Betrieb von Kernkraftwerken (KKW). Beim Betrieb eines 1-GW-KKW fallen pro Jahr einige radioaktive Abfälle an, darunter 300 kg des α-Strahlers Plutonium, der eine Halbwertszeit von ca.
24 000 Jahren hat, siehe Umweltrisiken. Das Problem der Endlagerung solcher Abfälle ist nicht zur Zufriedenheit aller Menschen lösbar. Die vollständige Wiederaufarbeitung der radiaktiven Abfälle und die Transmutation (Beschuss mit Neutronenstrahlen) langlebiger Spaltprodukte wären eine akzeptable Alternative. Aber die entsprechenden Entwicklungsarbeiten sind noch nicht weit fortgeschritten.

Das Bild rechts zeigt das KKW Gundremmingen. Die zwei Blöcke des KKW decken etwa 30 % der Stromerzeugung in Bayern und ersparen der Atmosphäre jährlich 21 Millionen Tonnen Kohlendioxid. Das entspricht einem Anteil von etwa 2,5 Prozent der gesamten jährlichen Kohlendioxid-Emissionen in Deutschland. Probleme könnten jedoch beim Siedewasserreaktor auftreten, falls es bei einer Katastrophe auch zum Ausfall der Nachwärmeabfuhr kommt. Das kann ein Aufheizen des Brennstoffs verursachen und Kernstrukturen zum Schmelzen bringen. Im schlimmsten Fall kommt es zu einer Zündung von entstandenem Wasserstoff und einer Detonation, die das Fundament zerstört und eine Grundwasserverseuchung bewirkt. Solche früher fast für unmöglich gehaltene Szenarien sind durch terroristische Bedrohungen stärker ins Blickfeld gerückt. Vor allem haben aber das Tohoku-Seebeben am 11.03.2011 und die folgenden Auswirkungen auf das Kernkraftwerk Fukushima in Japan eine Neubewertung der Risiken notwendig gemacht, siehe Umweltrisiken.

Kernkraftwerke der nächsten Generation bringen zwar noch keinen Fortschritt bei der Entsorgung, erschweren aber eine Kernschmelze. Nach dem Jahr 2020 sollen Hochtemperaturreaktoren (engl. very high temperature reactor, VHTR) auch Kugelbettreaktor (engl. pebble bed reactor, PBR) genannt, zum Einsatz kommen. Ein 13-MW-Versuchsreaktor AVR (Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor) wurde von 1967-1988 in Jülich und ein Kernkraftwerk mit einem 300-MW-Reaktor von 1983 bis 1989 bei Hamm-Uentrop betrieben. Das hat wichtige Erkenntnisse zu den noch vorhandenen Risiken gegeben. Aktuelle Weiterentwicklungen finden in den USA, in Südafrika, Japan und China statt. China beabsichtigt,
30 Reaktoren dieses Typs zu bauen.

Der Kugelbettreaktor zeichnet sich durch einen geringen Uranverbrauch, geringe Abwärmeerzeugung und das Potenzial zur Fernwärmenutzung aus. Die Verwendung von Heliumgas als Kühlmittel und Graphit als Moderator erlaubt Temperaturen von 300 bis 950 °C. Mit 8 % spaltbarem Material angereicherte Brennstoffkerne haben einen Durchmesser von 0,5−0,7 mm. Sie sind mit drei Schichten aus pyrolytischem Graphit und  Siliziumcarbid  ummantelt, die ein großes Rückhaltevermögen für Spaltprodukte bis zu sehr hohen Temperaturen (1600 °C) haben. Die kleinen Kugeln sind in eine Brennelement-Graphitmatrix von 6 cm Durchmesser eingepresst, siehe rechte Abbildung. Dieses Brennmaterial schmilzt auch nach Verlust der Kühlung nicht, wenn man das Eindringen von Sauerstoff ausschließt. In einem zusätzlichen Dampferzeuger kann Heißdampf (530 °C bei 200 bar) erzeugt werden.
Bei Verwendung von Gasturbinen und einer Heliumtemperatur von 900 °C sind Wirkungsgrade von 45 % möglich.

Kernfusion

Von zukünftigen Fusionskraftwerken erwarten wir im Gegensatz zu Kernspaltungskraftwerken keine Probleme mit Beschaffung und Entsorgung von Brennstoffen. Abfälle, wie zum Beispiel der Reaktor selbst nach Ablauf der Nutzungsdauer, strahlen zwar auch, aber 99 % des strahlenden Materials hat eine Halbwertszeit von weniger als 10 Jahren. Wer um das Jahr 1960 zur Schule gegangen ist, hatte gelernt, dass man Ende des 20. Jahrhunderts eine überwiegende Energiegewinnung durch Kernfusion erwartet. Nun wird aber das erste technische Fusionskraftwerk  kaum noch vor dem Jahre 2030 erwartet. Es hat sich Ende des vorigen Jahrhundert gezeigt, dass turbulente Vorgänge im Plasma zu Energie- und Teilchenverlusten führen und die Energieeinschlusszeit τ verringern, in der das Plasma stabil gehalten werden kann.

Bei der Fusion eines Deuterium- und eines Tritiumkerns entstehen ein Alpha-Teilchen, ein Neutron und 17,6 MeV Energie. Letztere sollte das Plasma auf Reaktionstemperatur halten, damit ständig austretende Neutronen, die 80 % der Fusionsenergie tragen, Wasser erhitzen und letztlich Dampfturbinen antreiben. Die linke
aus den Internetseiten der EU-Organisation "Fusion for Energy" entnommene Abbildung zeigt die Fusionsreaktion

Hauptproblem bei der Fusion auf der Erde ist die extreme Reaktionstemperatur. Bei mehr als hundert Millionen Grad muss das Reaktionsplasma auf einer stabilen Position fern von jeglichem Material bleiben.

Kein Problem stellt die Temperatur auf der Sonne dar. Sonnenenergie ist Kernfusions-Energie. Der Hauptprozess auf der Sonne ist die Proton-Proton-Reaktion I. Zuerst fusionieren zwei Wasserstoffkerne ¹H⁺ (Protonen) zu einem Deuteriumkern ²H⁺, wobei durch die Umwandlung eines Protons in ein Neutron ein Positron e⁺ und ein Elektronneutrino ν_e frei wird:

Das entstandene Deuterium reagiert mit einem weiteren Proton, und es entsteht das leichte Helium-Isotop ³He²⁺ und ein Gammaquant γ:

Schließlich fusionieren zwei Heliumkerne ³He²⁺ zu ⁴He²⁺ (α-Teilchen). Dabei werden zwei Protonen frei, die für weitere Reaktionsschritte zur Verfügung stehen:

Um auf der Erde das Reaktionsplasma auf einer stabilen Position fern von jeglichem Material zu halten, überlagert man in einem Tokamak (russ. тороидальная камера в магнитных катушках) drei Felder. Die rechts stehende Abbildung von EFDA-JET zeigt die supraleitenden Magnetspulen und die Felder des rosa Plasmastroms, der blauen Toroidspule und der grünen Transformatorspulen.

Das Tokamak-Experiment JET (Joint European Torus) des Europäischen Fusionsprogramms ist seit 1983 in Culham, England im Betrieb. Für JET liegt das Fusionsprodukt nTτ bestehend aus Temperatur T, Teilchendichte n und Energieeinschlusszeit τ, nur noch um einen Faktor 5 unter dem Zielwert für ein Kraftwerk, wie aus der Abbildung unten aus einem Bericht des MPI für Plasmaphysik zu entnehmen ist.

 

Die Qualität eines Fusionsprozesses kann durch den Quotienten Q aus durch Fusion erzeugter Wärme durch die zur Aufrechterhaltung der hohen Temperatur zugeführte Wärme betrachtet werden. Bis Ende des vergangenen Jahrhunderts war Q = 0,5 erreicht. Es wurde also doppelt soviel Energie verbraucht, als gewonnen werden konnte. Seit 2005 wird in Cadarache (Frankreich) im Rahmen des 1988 von von USA, Russland, Japan, China, Südkorea und Euratom begonnenen Projekts ITER (International Thermo-nuclear Experimental Reactor) ein Tokamak-Reaktor für 0,5 GW und 500 s Impulslänge aufgebaut. Das Ziel ist, einen Wert von Q = 10 zu erreichen. Über zehn Milliarden Euro sind für den Bau veranschlagt. Die noch aktuelle Zielstellung vom Juni 2009 ist, dass der Betrieb 2018 mit Wasserstoff aufgenommen wird und 2026 eine Deuterium-Tritium-Reaktion realisiert werden kann.

Obige  Abbildung zeigt einen Schnitt des Plasmarings. Die supraleitenden Spulen müssen auf die Temperatur von 4 K abgekühlt werden und befinden sich deshalb in einem mit flüssigen Helium gefüllten Kryostat. Betrachten wir Zeitplan und Kosten für ITER, wird klar, dass in den nächsten zwanzig Jahren kaum mit einer erheblichen technischen Energiegewinnung aus der Kernfusion zu rechnen ist. Unbestritten ist jedoch, dass Kernfusion in der Sonne die Grundlage fast aller Energiegewinnung auf der Erde darstellt, und die Menschheit mit dem Projekt ITER Fortschritte
bei der technischen Realisierung einer direkten Energiegewinnung durch Fusionsanlagen auf der Erde macht .

Neben dem Tokamak-Reaktor wird der Stellarator weiterentwickelt. Der Name dieses erstmalig 1951 im Princeton-Labor für Plasmaphysik aufgebauten Fusionskonzeptes soll an die Kernfusion als Energiequelle der Sterne (lat. stella, Stern) erinnern. Tokamaks stellen einen Teil des einschließenden magnetischen Feldes durch einen starken, im Plasma fließenden elektrischen Strom her, siehe oben. Stellaratoren dagegen schließen das Plasma mit einem ausschließlich von äußeren Spulen erzeugten Magnetfeld ein und sind deshalb für einen Dauerbetrieb besser geeignet. Der Stellarator Wendelstein 7-X, der seit 2005 bis voraussichtlich 2014 im Teilinstitut Greifswald des Instituts für Plasmaphysik der MPG entsteht, soll ein optimiertes Magnetfeld testen, das die Schwierigkeiten früherer Stellarator-Konzepte überwindet. Er soll demonstrieren, dass auf der Basis des Stellarators ein kontinuierlich arbeitendes Kraftwerk möglich ist. Die rechts stehende Abbildung zeigt Spulenanordung und Plasma von Wendelstein 7-X.

Im Gegensatz zum magnetischen Einschluss des Fusionsplasmas bei Takamak oder Stellarator wird bei der Trägheitsfusion der Deuterium-Tritium-Brennstoff durch extrem schnelle Energiezufuhr für einige Nanosekunden verdichtet und aufgeheizt. Während der kurzen Zeit sorgt die Massenträgheit für den Zusammenhalt des Plasmas.
Deshalb bezeichnet man diese gewöhnlich durch Laser initiierte Reaktion als Trägheitsfusion. Auch die Wasserstoffbombe funktioniert nach diesem Prinzip. Forschung auf dem Gebiet der Trägheitsfusion wird deshalb nicht nur mit dem Ziel der Energiegewinnung durchgeführt. Die Forschungseinrichtungen genießen Unterstützung militärischer Budgeds.

Die National Ignition Facility (NIF) ist von 1997 bis 2009 am Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore, Kalifornien, aufgebaut worden. Ein 500-Terawatt-Lichtblitz soll die mit einigen Milligramm Fusionsbrennstoff gefüllte Kugel von verschiedenen Richtungen innerhalb weniger Picosekunden erreichen und die Fusion auslösen. Das Plasma kollabiert mit einer Geschwindigkeit von 1,5 Millionen km/h und soll eine Temperatur von 100 Millionen Grad Celsius erreichen. Quelle des Blitzes sind 192 Laser. Sie erzeugen 2009 schon eine Gesamtenergie von mehr als 1 MJ und könnten 2010 durch weitere Steigerung der Energie eine Zündung der Kernfusion in den kleinen Kapsel ermöglichen, wobei die erzeugte Fusionsenergie höher als die bereit gestellte Laserenergie sein soll.

Ein ähnlich großes Forschungsprojekt zur Trägheitsfusion, das ebenfalls teilweise militärischen Zwecken dient, ist in Le Barp in der Nähe von Bordeaux in Frankreich 2002 in Angriff genommen worden und soll 2012 komplett sein. Es heißt Laser Mégajoule (LMJ) und wird vom Commissariat à l'énergie atomique (CEA) betrieben. Sowohl vom NIF als auch von LMJ sind in den nächsten Jahren Aussagen über die Effizienz von Energieerzeugung durch Trägheitsfusion zu erwarten.

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