Fusionsenergie

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Dieser Artikel behandelt politische Aspekte; für die Technik siehe Kernfusionsreaktor, für die Kernphysik siehe Kernfusion.
Die Leistungsdichte im Plasma eines Fusionsreaktors – hier ein Blick auf das Plasma des Versuchsanlage MAST – muss jene im Kern der Sonne um den Faktor 10.000 übertreffen.

Fusionsenergie ist im Kontext der Forschungspolitik die großtechnische Nutzung der Kernfusion zur Stromerzeugung. Die Aussicht auf eine praktisch unerschöpfliche[1] Energiequelle ohne das Risiko katastrophaler Störfälle[2] und ohne die Notwendigkeit der Endlagerung langlebiger radioaktiver Abfälle[3] ist die Motivation für langfristige, internationale Forschungsaktivitäten.

Mit dem in Südfrankreich im Bau befindlichen Forschungsreaktor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) kann frühestens ab 2026[4] die technische Realisierbarkeit eines Energieüberschusses (d.h. es wird mehr Fusionsleistung erzeugt, als an Heizleistung benötigt wird) untersucht werden. Der nächste Schritt könnte das Projekt DEMO sein, die prinzipielle Demonstration der Stromerzeugung und zugleich eines genügend hohen Brutfaktors für den Brennstoff Tritium im Kraftwerk selbst.[5] Auch wenn diese Forschungsarbeiten erfolgreich verlaufen, würden Anlagen in wirtschaftlich zu betreibender Größe (mit einer elektrischen Leistung von 1 bis 1,5 GW)[6] wohl erst im letzten Viertel des Jahrhunderts errichtet werden.[7][8]

Machbarkeit[Bearbeiten]

JET erreichte 1997 kurzzeitig (für 0,5 Sekunden) 16 MW Fusionsleistung bei 24 MW eingekoppelter Heizleistung. Der größere Tokamak ITER soll für 1000 Sekunden 500 MW Fusionsleistung bei 50 MW Heizleistung demonstrieren. Damit wäre die technische Machbarkeit eines Q-Faktors (definiert als das Verhältnis von Fusionsleistung zu Heizleistung) von 10 gezeigt.

Technischen Probleme könnten dazu führen, dass die „Fusionskonstante“, nach der die Realisierbarkeit stets 30 bis 50 Jahre in der Zukunft liegt,[9] weiterhin gültig bleibt. In den ersten Jahrzehnten der Fusionsforschung war das Problem der Plasmainstabilität bei Tokamaks völlig unterschätzt worden.[10] Weniger inhärente Probleme mit der Stabilität und ohne Weiteres zum Dauerstrichbetrieb fähig ist der Stellarator, dessen Entwicklung später begann als die des Tokamaks. Am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), das in Greifswald den Stellarator Wendelstein 7-X gebaut hat und nun in Betrieb nimmt, hält man es für möglich, dass das erste Fusionskraftwerk ein Stellarator sein könnte.

Die Verwendung neuer Hochtemperatursupraleiter bei tiefen Temperaturen verspricht einen Betrieb mit stärkeren Magnetfeldern und dadurch in einer kleineren Anlage ausreichende Leistungsverstärkung in einem Parameterbereich des Plasmas, der gegen Instabilitäten sicher ist. Die zweite günstige Eigenschaft dieser Supraleiter ist ein geringer Spannungsabfall an lösbaren Kontaktstellen auch bei hohen Strömen. Die dort entstehende Verlustleistung kann die Kühlung abführen. Spulen, die man öffnen kann, erleichtern Montage und Wartungsarbeiten enorm.[11]

Wirtschaftlichkeit[Bearbeiten]

Auch wenn Fusionskraftwerke technisch machbar sein sollten, heißt dies jedoch nicht, dass sie auch wirtschaftlich betrieben werden können. Im Sachstandsbericht des deutschen Bundestages von 2002 heißt es: „Insgesamt ist daher umstritten, ob auf DEMO bereits Fusionskraftwerke folgen, die wirtschaftlich konkurrenzfähig betrieben werden können. Möglicherweise werden Anfangsschwierigkeiten eine weitere staatliche Unterstützung erforderlich machen (Heindler 2001)“.[12] EUROfusion, die Dachorganisation der europäischen Kernfusionsforschung, geht von folgendem Szenario aus: Unter der Voraussetzung, dass fossile Brennstoffe wegen ihrer Klimaschädlichkeit zurückgedrängt werden und die Kernfusion somit wirtschaftlich konkurrenzfähig wäre, könnte ein großtechnischer Einsatz der neuen Technologie nach heutigem Erkenntnisstand im letzten Viertel des 21. Jahrhunderts erfolgen.[13][14]

Veröffentlichungen mit Wirtschaftlichkeitberechnungen zur Fusionsenergie:

  • 1996: T.C. Hender et al.: Fusion Technology[15]
  • 1999: Energy research Centre of the Netherlands: Long Term Energy Scenarios[16]
  • 2001: T. Hamacher: Fusion, Engineering and Design[17]
  • 2001: J. G. Delene, J. Sheffield, K. A. Williams, R. L. Reid, S. Hadley: An Assessment of the Economics of Future Electric Power Generation Options[18]
  • 2002: Institut für Management (IIM), Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), Netherlands Energy Research Foundation (ECN): Longterm Energy Scenarios for India[19]
  • 2006: Alexander M. Bradshaw (IPP), Reinhard Maschuw (FZK), Gerd Eisenbeiß (FJZ): Kernfusion (Broschüre der Helmholtz-Gemeinschaft)[20]

Auswirkungen auf die Struktur der Energieversorgung[Bearbeiten]

Das Demonstrationskraftwerk DEMO soll erstmals einige 100 MW an elektrischer Leistung produzieren.[21] Es wird damit allerdings noch zu klein für einen wirtschaftlichen Betrieb sein.

Weil bei Fusionskraftwerken die Bau- und Finanzierungskosten den wesentlichen Anteil an den Gesamtaufwendungen darstellen, wären sie insbesondere als Grundlastkraftwerke einsetzbar. 2002 wurde dazu mit Bezug auf eine Quelle aus 2001 in einem Bericht an den Bundestag festgestellt: „Für Grundlastkraftwerke ist die Zuverlässigkeit ein entscheidender Parameter. Häufige unvorhergesehene Unterbrechungen oder lange Stillstandszeiten für Wartung und Reparatur würden Fusionskraftwerke unattraktiv machen. Die heute angenommene Leistungsverfügbarkeit eines Fusionskraftwerkes von 75% (Bradshaw 2001) ist gegenüber anderen Großkraftwerken, die zum Teil über 95 % erreichen, vergleichsweise niedrig.“[22]

Umwelt- und Sicherheitsaspekte[Bearbeiten]

Fusionskraftwerke würden solche auf Basis von Kernspaltung und fossilen Brennstoffen ersetzen und hätten

  • im Gegensatz zu herkömmlichen Kraftwerken auf der Basis von Kohle, Öl oder Gas
    • keinen Ausstoß von Abgasen, insbesondere von Treibhausgasen wie CO2;
    • auf sehr lange Zeit keine Probleme mit der Brennstoffversorgung, während die fossilen Brennstoffe absehbar zu teuer werden;
    • vernachlässigbare Kosten der Brennstoffe, deren Gewinnung auch im Hinblick auf Umweltrisiken kein Problem darstellt.
  • ähnlich wie bei Kraftwerken auf der Basis von Kernspaltungsreaktoren
    • erhebliche Neutronenaktivierung von Strukturmaterialien. Das radioaktive Gesamtinventar der Anlage wäre dadurch während des Betriebs vergleichbar mit dem eines Spaltreaktor-Kraftwerks gleicher Leistung. Sehr langlebige Abfallstoffe könnten allerdings vermieden werden.
    • Anlagenteile, die so starker Neutronenstrahlung ausgesetzt sind, dass sie regelmäßig getauscht und zwischengelagert werden müssen. Bei herkömmlichen Kernreaktoren werden insbesondere die Brennelementhüllen, in denen sich der Uran-Brennstoff befindet, zusammen mit dem Brennstoff getauscht, bei Fusionsreaktoren wären dies insbesondere Teile des Divertors und des Blankets. Der Austausch ist aber wegen der komplizierten Geometrie aufwändiger als der Wechsel von Brennelementen in einem Kernreaktor.
    • Kontaminationen, die Wartungsarbeiten zusätzlich erschweren: Während gasförmiges Tritium zu Wasser oxidiert, abgepumpt und in Kühlfallen gesammelt wird, stellt die Kontamination von Wandmaterial ein großes Problem dar. Tritium wird ionenimplantiert oder mit erodiertem Kohlenstoff wieder abgeschieden. Dieses Tritium ist nicht leicht einzusammeln, aber auch nicht sicher gebunden.[23]
    • mobiles radioaktives Inventar, das im Falle einer Katastrophe leicht freigesetzt werden könnte: Das im Blanket erbrütete radioaktive Tritium wird innerhalb der Anlage extrahiert und wieder verbraucht. Der Vorrat für einen einwöchigen Betrieb läge bei einer 1-GW-Anlage bei einigen Kilogramm[24] und hätte eine Aktivität von 1018 Bq. Das ist etwa die Aktivität des bei der Nuklearkatastrophe von Tschernobyl freigesetzten radioaktiven Iods, aber nur ein kleiner Bruchteil der über 600 kg Tritium, die im vergangenen Jahrhundert durch Kernwaffentests in die Atmosphäre geraten sind.
  • im Gegensatz zu Kernspaltungsreaktoren
    • Katastrophen sind unwahrscheinlicher: Es gibt keine Reaktion, die überkritisch werden oder thermisch durchgehen kann. Wenn das Magnetfeld das Plasma nicht zusammenhalten kann, kühlt es an der Wand ab und die Fusionsreaktion bricht ab.[25]
    • keine Endlagerungsproblematik durch sehr langlebiges radioaktives Material: Das Reaktionsprodukt Helium ist stabil.
    • Transporte radioaktiven Brennstoffs nur zur einmaligen Erstversorgung mit einem Tritium-Vorrat von rund 1 kg. Die Einsatzstoffe Lithium und Deuterium sind nicht radioaktiv.[26]

Deuterium-Tritium-Fusionsreaktoren wären demnach keineswegs frei von Radioaktivitätsproblemen. Sie wären jedoch bezüglich Sicherheit und Umweltverträglichkeit ein Fortschritt gegenüber herkömmlichen Kernreaktoren.

Risiken hinsichtlich Kernwaffenverbreitung[Bearbeiten]

Die Technologie der Kernfusion weist nur eine begrenzte Schnittmenge mit der Kernwaffentechnologie auf. Jedoch kann durch die Kernfusion theoretisch Material für Atomwaffen produziert werden und somit das Risiko einer Verbreitung von Kernwaffen erhöht sein.

In Fusionsreaktoren entstehen große Mengen Tritium und ein unerlaubtes Abzweigen eines geringen, für militärische Nutzung aber ausreichenden Anteils gilt als kaum kontrollierbar.[27] Bereits einige Gramm eines Deuterium-Tritium-Gemischs können die Energiefreisetzung einer Atombombe und damit deren Zerstörungskraft deutlich steigern. Die Methode ist unter dem Begriff Fusions-Booster bekannt. Tritium entsteht zwar auch als radioaktives Abfallprodukt in herkömmlichen Kernreaktoren, insbesondere in Schwerwasserreaktoren, wird üblicherweise jedoch weder abgetrennt noch als Reinstoff aufkonzentriert. Die Gefahr zur Proliferation geht dabei sowohl von dem Tritium selbst aus als auch von dem Wissen um die Details seiner Herstellung.[28]

Soweit im Brutmantel eines Fusionsreaktors angereichertes 6Li verwendet wird, müssen entsprechende großtechnische Anlagen zur Lithium-Anreichung errichtet werden. Schließlich ist mit angereichertem 6Li auch direkte Proliferation denkbar. Wasserstoffbomben erreichen mit angereichertem 6Li eine höhere Sprengkraft als mit natürlichem Lithium.

Die Herstellung kernwaffenfähigen Plutoniums oder Urans ist prinzipiell durch die vom Fusionsreaktor ausgesendete harte Neutronenstrahlung möglich, beispielsweise per Transmutation von 238U zu 239Pu, oder 232Th zu 233U.

Eine Studie von R. J. Goldston, A. Glaser und A. F. Ross untersuchte die Risiken einer Kernwaffenverbreitung durch Fusionsreaktoren und analysierte verschiedene Szenarien zur Herstellung von waffenfähigem Plutonium oder Uran.[29] Wegen eines deutlich höheren Energieverbrauchs, der damit verbundenen Hitzefreisetzung und einer auffälligen Konstruktion wurde in dieser Studie der Einsatz selbst eines kleinen Fusionsreaktors gegenüber Gaszentrifugen als sehr unplausibel bewertet.[29]

Das Potential, mit Fusionsreaktoren kommerzieller Größe Material für Kernwaffen herzustellen, wird als signifikant eingeschätzt. Im regulären Betrieb zur zivilen Energieproduktion käme in reinen Fusionskraftwerken kein brütbares oder spaltbares Material vor. Ohne Abschirmung könne man diese Materialien recht gut über die von ihnen ausgesendete Gammastrahlung charakteristischer Energie detektieren. Dies wäre ein starker Hinweis auf eine militärische Nutzung der Anlage. Einige der möglichen technischen Modifikationen, welche brütbares Material in sehr niedriger Konzentration in die Kühlsubstanz einleiten und wieder extrahieren, wären wegen ihrer Abmessungen vor Inspektoren vermutlich nicht zu verheimlichen. Auch wäre bei dieser Methode eine anschließende Aufarbeitung des Materials äußerst aufwändig. Der Einbau eines Moduls des Brutmantels, welches beispielsweise unerlaubt mit Uranoxid ausgestattet wäre, wird als realistischste Gefahr einer Waffenverbreitung beschrieben. Die Studie hält es für notwendig, dass durch eine Kontrolle der angelieferten Komponenten solche Möglichkeiten unterbunden werden,[29] es könne andernfalls Plutonium für mehrere Kernwaffen jährlich produziert werden.[27]

Als die schnellste Möglichkeit, waffenfähiges Material zu produzieren, wird die Modifikation eines kommerziellen Fusionsreaktors angesehen. Anders als bei einem auf Kernspaltung beruhendem Kraftwerk liegt bei einem reinen Fusionsreaktor ohne Umrüstung kein für Kernwaffen verwendbares Material vor.

Selbst ohne die Notwendigkeit verdeckten Handelns würden zwei Monate benötigt um die Produktion aufzunehmen und mindestens eine weitere Woche um eine nennenswerte Menge für eine Waffenproduktion zu erhalten. Diese Zeitspanne sei lang genug, um eine militärische Nutzung zu entdecken und mit diplomatischen Mitteln oder auch mit einer militärischen Zerstörung von Teilen der Anlage zu reagieren. Anders als bei einem Kernkraftwerk müssten nur Nebenstrukturen zerstört werden, um die gesamte Produktion lahmzulegen, die intrinsische Sicherheit der Fusionskraftwerke hinzugenommen würde das Risiko einer radioaktiven Kontamination gering sein.[29]

Eine andere Studie kommt zum Schluss, dass große Fusionsreaktoren jährlich bis zu einigen hundert Kilogramm Plutonium mit großer Tauglichkeit für Waffen produzieren könnten, mit vergleichbar niedrigen Anforderungen an das Ausgangsmaterial. Die Autoren weisen darauf hin, dass intrinsische Sicherheitsmerkmale, die eine militärischer Nutzung erschweren, vielleicht nur noch in dem jetzigen, frühen Forschungsstadium implementiert werden können.[27]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. „deuterium can be easily extracted at a very low cost“, „enough […] for 2 billion years“ (S. 16), „20.000 years of inexpensive Li6 available“ (S. 17) In: Jeffrey P. Freidberg: Plasma Physics And Fusion Energy. 2007.
  2. Jeffrey P. Freidberg: Plasma Physics And Fusion Energy. 2007, S. 17.
  3. Weston M. Stacey: Fusion. An Introduction to the Physics and Technology of Magnetic Confinement Fusion. 2010, S. 151–154; radioactive structural material […] storage time required […] 100 years.
  4. A. M. Bradshaw: Der lange Weg zu ITER, PDF. Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), 28. Oktober 2005.
  5. 50 Jahre Forschung für die Energie der Zukunft (PDF; 5,8 MB). Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), 2010. Abgerufen am 3. Juli 2013. ISBN 978-3-00-031750-7.
  6. EUROfusion.org: Fusion Technology – From experiment to power plant.
  7. ITER and beyond. On to DEMO. Webseite der ITER-Organisation. Abgerufen am 4. Juli 2013.
  8. EUROfusion.org: Why fusion research? – Cost.
  9. Ulf von Rauchhaupt: Sonnenfeuer am Boden – Nach zehnjähriger Planung bleibt vom internationalen Kernfusionsreaktor Iter nur die Sparversion, DIE ZEIT, 1999.
  10. Roland Knauer: Großprojekt ITER – Das Feuer der Sonne auf die Erde holen. Der Tagesspiegel, 19. September 2010. Knauer interviewte Günther Hasinger, damals wissenschaftlicher Direktor des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP).
  11. Dennis Whyte et al. (MIT): Smaller & Sooner: How a new generation of superconductors can accelerate fusion’s development. Fusion Power Associates 2012, 31st Annual Meeting and Symposium, Washington, DC, Dezember 2012.
  12. Armin Grunwald, Reinhard Grünwald, Dagmar Oertel, Herbert Paschen: Kernfusion. Sachstandsbericht (PDF; 396 kB). Arbeitsbericht des Büros für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag, März 2002, S. 49.
  13. ITER and beyond. On to DEMO. Webseite der ITER-Organisation. Abgerufen am 4. Juli 2013.
  14. Why fusion research? – Cost. Webseite von EUROfusion. Abgerufen am 1. November 2014.
  15. T.C. Hender et al.: Fusion Technology, Abschnitt: Abschätzung der Investitionskosten für die wesentlichen Elemente eines Fusionskraftwerks. Vol. 30, Dezember 1996.
  16. P. Lako et al.: Long Term Scenarios And The Role Of Fusion Power. Februar 1999 (PDF; 248 kB).
  17. T. Hamacher, 2001: Fusion, Engineering and Design, S. 55-57, 95-103.
  18. Delene, J. G., J. Sheffield, K.A. Williams, R. L. Reid, S. Hadley, Vol. 39, No. 2, American Nuclear Society, March 2001: An Assessment of the Economics of Future Electric Power Generation Options and the Implications for Fusion (PDF; 329 kB). Abgerufen am 22. Juli 2013.
  19. Institut für Management (IIM), Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), Netherlands Energy Research Foundation (ECN): Longterm Energy Scenarios for India. 2002.
  20. Alexander M. Bradshaw (IPP), Reinhard Maschuw (FZK), Gerd Eisenbeiß (FJZ): Kernfusion (PDF; 15,1 MB). Broschüre des Forschungszentrum Jülich (FZJ), Forschungszentrum Karlsruhe (FZK) und Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP). 2006, S. 45-49. Abgerufen am 11. Mai 2013.
  21. (IPP: DEMO)
  22. Armin Grunwald, Reinhard Grünwald, Dagmar Oertel, Herbert Paschen: Kernfusion. Sachstandsbericht (PDF; 396 kB). Arbeitsbericht des Büros für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag, März 2002, S. 48–49. Abgerufen am 17. Juni 2014.
  23. Joachim Roth et al.: Tritium inventory in ITER plasma-facing materials and tritium removal procedures. Plasma Phys. Control. Fusion 50, 2008, 103001, doi:10.1088/0741-3335/50/10/103001.
  24. A. Fiege (Hrsg.), Tritium. Bericht KfK-5055, Kernforschungszentrum Karlsruhe, 1992, S. 54–57 ISSN 0303-4003.
  25. ITER & Safety, ITER Organization (englisch)
  26. ITER Fusion Fuels, ITER Organization (englisch)
  27. a b c Matthias Englert, Giorgio Franceschini, Wolfgang Liebert: Strong Neutron Sources – How to cope with weapon material production capabilities of fusion and spallation neutron sources? 7th INMM/Esarda Workshop, Aix‐en‐Provence, 2011 (PDF; 2,3 MB).
  28.  Martin Kalinowski: International control of tritium for nuclear nonproliferation and disarmament. CRC Press, 2004, ISBN 0-415-31615-4, S. 34.
  29. a b c d R. J. Goldston, A. Glaser, A. F. Ross: "Proliferation Risks of Fusion Energy: Clandestine Production, Covert Production, and Breakout" (PDF; 2,3 MB) 9th IAEA Technical Meeting on Fusion Power Plant Safety (Nov 2013) und Glaser, A.; Goldston, R. J. (2012). "Proliferation risks of magnetic fusion energy: Clandestine production, covert production and breakout". Nuclear Fusion 52 (4): 043004. doi:10.1088/0029-5515/52/4/043004