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Vergleich zwischen Kernfusion
und Kernspaltung
2007/2008
Ferdinand
Scheubeck
Jahresarbeit von Ferdinand Scheubeck
Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung
Seite 2
Inhaltsverzeichnis
1. Umweltproblematik ..................................................................................................................... 4
1.1 CO2
Ausstoß ................................................................................................... 4
1.2 Treibhauseffekt ............................................................................................. 5
1.3 Ozonschicht (Zerstörung durch Treibhausgase) ............................................ 6
1.4 Rohstoffknappheit ......................................................................................... 7
1.5 Vorteile des Klimawandels ............................................................................. 7
1.6 Nachteile des Klimawandels .......................................................................... 7
1.7 Lösungsansätze zur Reduzierung des CO2
..................................................... 8
2. Kernspaltung .................................................................................................................................. 9
2.1 Geschichte ..................................................................................................... 9
2.2 Radioaktivität .............................................................................................. 10
2.2.1 α Strahlung ........................................................................................ 10
2.2.2 β Strahlung ........................................................................................ 11
2.2.3 γ Strahlung ......................................................................................... 12
2.2.4 Halbwertszeit ..................................................................................... 13
2.3 Kernspaltung ............................................................................................... 13
2.4 Uran ............................................................................................................ 14
2.5 Atomkraftwerke .......................................................................................... 15
2.6 Atombombe ................................................................................................. 17
3. Kernfusion ...................................................................................................................................... 19
3.1 Kernfusion in der Sonne .............................................................................. 19 3.1.1 Entdeckung der Kernfusion ................................................................. 19
3.1.2 Thermonukleare Fusion ...................................................................... 19
3.2 Erde ............................................................................................................. 21 3.2.1 Geschichte ......................................................................................... 21
3.2.2 Kernfusion Erde Allgemein ................................................................. 22
3.2.3 Kernreaktoren .................................................................................... 24
3.2.3.1 Tokamak ...................................................................................... 24
3.2.3.2 Stellarator .................................................................................... 26
3.2.4 Max Planck Institut für Plasmaphysik .................................................. 27
3.2.4.1 Max Planck Institut für Plasmaphysik in Garching ......................... 28
3.2.5 ITER .................................................................................................... 30
4. Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung .......................................................... 31
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5. Ausblick ............................................................................................................................................ 33
5.1 Im Jahr2050 ................................................................................................. 33
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1. Umweltproblematik
1.1 CO2
Ausstoß
Eines der größten Probleme dieser Zeit ist die Erderwärmung, verursacht durch
einen stetig ansteigenden CO2
Ausstoß. Zurzeit werden auf der Welt nach
Schätzungen der Internationalen Energieagentur 27,5 Milliarden Tonnen CO2
pro
Jahr emittiert.1
In den „Live Earth-Konzerten“ sind Musiker auf der ganzen Welt
angetreten, um ein Bewusstsein für diesen von Menschen verursachten Klimawandel
zu schaffen. Pikanterweise haben allein diese Konzerte ca. 60 – 110 Millionen
Tonnen Co2
produziert.2
In den letzten 400 tausend Jahren lag die CO2
Konzentration in der Erdatmosphäre immer zwischen 190 ppmv (Millionstel
Volumen Anteilen) in den Eiszeiten und 280 ppmv in den Warmzeiten.3
Aber seit
Anfang der Industrialisierung stieg der Wert kontinuierlich bis auf zuletzt 350 ppmv
an.3
Damit einher geht eine Zunahme der globalen Erwärmung (Siehe Bild 1).
Abbildung 1
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1.2 Treibhauseffekt
Der Treibhauseffekt auf der Erde ist ein natürlicher Prozess und durchaus
gewünscht. Ohne diesen wäre ein Leben auf der Erde nicht möglich. Die
Durchschnittstemperatur in der Luft wäre nicht komfortable 15 Grad Celsius,
sondern -18 Grad Celsius (ohne Treibhauseffekt).7
Abbildung 2
Wie das Bild 2 zeigt, treffen die vergleichsweise kurzwelligen Sonnenstrahlen auf der
Erde auf und werden von der Erde als langwellige Infrarotstrahlung reflektiert. CO2
in
der Atmosphäre verhindert partiell ein Abstrahlen in den Weltraum, da die
langwelligen Infrarotstrahlen die co2 Moleküle im Gegensatz zu den Sonnenstrahlen
nicht adäquat passieren können. Sie sind gleichsam in der Erdatmosphäre gefangen
und führen damit zu einer Erwärmung auf der Erde. Je mehr CO2
sich in der
Atmosphäre befindet, desto wahrscheinlicher ist ein Verbleiben der langwelligen
Infrarotstrahlung in der Atmosphäre. Neben dem CO2
gibt es noch eine Reihe
weiterer Moleküle, wie zum Beispiel das CH4
(genauere Daten aus der folgenden
Tabelle), die zum Treibhauseffekt beitragen.
Tabelle 1
Anteil am Treibhauseffekt in Prozent Zuname seit 1860 in Prozent
CO2
50 +30
CH4
19 +120
FCKW 17 Vorher nicht vorhanden
N2
O 4 +30
Laut dem Max-Planck-Institut wird die globale Temperatur bis 2100 um 2,0 bis 3,7
Grad infolge des Treibhauseffekts zunehmen.4
Veränderte Vegetationen werden die
Folge sein. Der Meeresspiegel wird bis zum Jahr 2100 um bis zu 58 cm steigen.5
In
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Zukunft können dadurch sogar Länder im Meer versinken. Die Anzahl und das
Ausmaß von Naturkatastrophen werden sich erhöhen. Mehr Hurrikans und größere
Sturmfluten wird es voraussichtlich geben.6
1.3 Ozonschicht (Zerstörung durch Treibhausgase)
Ozon ist ein O3
– Molekül, welches sehr instabil ist. Deshalb reagiert es sehr schnell
mit andern Stoffen. Ozon entsteht, indem Sonnenstrahlung auf Sauerstoff trifft.
3𝑂2
+𝑆𝑜𝑛𝑛𝑒𝑛𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 2𝑂3
Ozon hat einen stechend scharfen Geruch. Ozon führt zu Augenreizung, Reizung
der Lungenschleimhäute und folglich zu einer Verschlechterung der
Lungenfunktion. Es ist extrem giftig. Trotzdem ist es sehr wichtig für unser Leben,
da es die gefährlichen UV- Strahlen aus dem Weltraum abfängt. Ozon entsteht nur in
hohen Luftschichten von 15 000 bis 30 000 Metern, da dort der Druck geringer ist
und somit die Reaktionsenergie höher ist. In Spuren gelangt das Ozon durch
Transportvorgänge auch auf die Erde, aber meistens in einer viel zu geringen
Menge, um den Menschen zu schaden. Die Konzentration auf der Erde kann aber
auch gesteigert werden, indem starke Sonneneinstrahlung auf eine hohe
Abgaskonzentration trifft. Dabei wird Stickstoffdioxid (NO2
) in Stickstoffmonoxid
umgewandelt und der freiwerdende Sauerstoff (O) reagiert mit dem Sauersoff (O2
)
aus der Luft zu Ozon(O3
). Deshalb wird an heißen Sommertagen in großen Städten
immer vor einer hohen Ozonkonzentration gewarnt. In manchen Ländern wird auch
bei zu hohen Ozonwerten ein Fahrverbot verhängt.18
Das Ozon wird zum Beispiel durch Stickstoffverbindungen zerstört oder durch
FCKW. Die Zerstörung des Ozons wurde erstmals 1985 über der Antarktis
nachgewiesen. Daraufhin unterzeichneten 47 Staaten einen internationalen Vertrag
indem sie sich verpflichten, ab 1997 auf FCKW zu verzichten. Obwohl mittlerweile
kaum FCKW benutzt wird, erhöht sich die Größe immer noch. Auf der einen Seite
verweilen diese Stoffe lange in der Atmosphäre und werden nur sehr langsam
abgebaut. Auf der anderen Seite geht man inzwischen davon aus, dass es noch
andere Stoffe gibt, die die Ozonschicht zusätzlich zerstören. Diese kennt man
entweder noch nicht oder erachtet sie als zu gering. Es ist deshalb davon
auszugehen, dass es mindestens bis 2050 dauert bis die Ozonlöcher wieder
schrumpfen werden.
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1.4 Rohstoffknappheit
Zu dem Problem der Erderwärmung kommt das Problem der immer knapper
werdenden fossilen Rohstoffe. Erdöl wird bei gleichbleibendem Verbrauchsvolumen
nur noch für ca. 40 Jahre lieferbar sein.7
Ähnlich verhält es sich mit Erdgas. In 60
Jahren wird bei diesem Szenario das gesamte Erdgasvorkommen aufgebraucht sein.7
Kohle wird in ca. 200 Jahren bei gleichem Verbrauchsvolumen versiegt sein. Zudem
wird der Verbrauch vermutlich stark ansteigen, bedingt durch den zunehmenden
Energiehunger der Schwellenländer wie China und Indien. 8
Es muß also dafür Sorge
getragen werden, dass auch für nachfolgende Generationen noch genügend Energie
zur Verfügung steht.
1.5 Vorteile des Klimawandels
Der Mensch ist eins der wenigen Lebewesen, das sich an sämtliche
Umweltbedingungen hervorragend angepasst hat. Er hat sich sowohl am Nordpol als
auch in den gemäßigten Klimazonen und sogar in tropischen Gebieten angesiedelt.
Überall kommt der Mensch gut zurecht. Vermutlich wird er auch die veränderten
Bedingungen durch den Klimawandel akzeptieren und vielleicht sogar einen Nutzen
daraus ziehen können.
Gerade die bislang kälteren Regionen können vom Klimawandel profitieren. Zum
Beispiel wird es möglich sein, Wein und Getreide in nördlichen Regionen anzubauen.
Die Nordseeanrainerstaaten können einen starken Tourismusansturm erfahren, da
es durch die höheren Temperaturen für die Menschen dort attraktiver wird. Auch
Fische werden in die Nördlichen Regionen zurückkehren.
1.6 Nachteile des Klimawandels
Die klimatischen und somit die vegetativen Verhältnisse auf dem Globus werden
sich deutlich und nachhaltig verändern. Man geht davon aus, dass sich Italien bis
2050 in eine wüstenähnliche Landschaft verwandeln wird. Viele Regionen sind für
die Landwirtschaft dann nicht mehr nutzbar, da es zu wenig Wasser für die
Landwirtschaft geben wird. Auch das Trinkwasser wird immer knapper werden, da
es in manchen Regionen kaum regnen wird. In anderen Regionen wird es dafür
Überschwemmungen und verheerende Stürme geben.
Wieso gibt es überhaupt solche Probleme bei einer Klimaerwärmung?
Weil durch die Erwärmung mehr Energie auf der Erde vorhanden ist, die nach einem
Ventil sucht. Diese Energie wird zum Beispiel durch häufigere und stärkere Stürme
frei oder durch große Wellen.
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1.7 Lösungsansätze zur Reduzierung des CO2
Die beste Lösung ist sicherlich, an den Ursachen anzupacken und den CO2-Ausstoß
möglichst zu vermeiden oder zumindest erheblich zu reduzieren. Regenerative
Energien wie Sonnenenergie und Windenergie sind hier sicherlich an erster Stelle zu
nennen, da sie als „saubere Energie“ ohne Schadstoffausstoß am ehesten geeignet
wären, die Energieprobleme ohne Eingriff in die Natur zu lösen. Die Solarenergie ist
bislang allerdings nicht wirtschaftlich und nur durch massive staatliche Förderung
erfolgreich. Auch die Windenergie kann nur einen kleinen Beitrag zum Energiemix
bis jetzt leisten. Für die Grundlast sind weiter andere Lösungen vonnöten, die
unabhängig von Wind und Wetter Energie gewinnen können. Mit einem möglichen
weiteren Lösungsvorschlag befasst sich diese Jahresarbeit.
Symptomatisch sind eine Vielzahl von Maßnahmen erforderlich. Es müssen Dämme
an den Flüssen erneuert und erhöht werden. Frühwarnsysteme für Tsunami müssen
verstärkt zum Einsatz kommen. Das sind nur beispielhaft angeführte Aufgaben, die
noch auf uns zukommen. Würden wir nichts gegen den Klimawandel unternehmen,
so würde laut dem Deutschen Institut für Wirtschaftsforschung durch den
Klimawandel bis zum Jahr 2050 ein volkswirtschaftlicher Schaden von ungefähr 200
Billionen US-Dollar entstehen. Deshalb Lohnt sich heute Jeder Euro, den man gegen
den Klimawandel verwendet, um unsere Welt für uns und die nachfolgenden
Generationen möglichst lebenswert zu erhalten.
Auch die Politik ist nicht untätig geblieben. Durch neue Gesetze versuchen die
Länder den Klimawandel einzudämmen. Zukünftig werden für neue Autos strenge
Grenzwerte für den CO2-Ausstoß gelten. Außerdem wird es für Neubauten
Vorschriften für die Wärmedämmung geben. Auch den Firmen wird eine CO2-
Reduzierung, festgelegt in einer weltweiten Energiekonferenz im japanischen Kyoto
( Kyoto-Protokoll) abverlangt. Dabei ist ein geldwerter Handel mit CO2-Rechten
vorgesehen. Gerade Europa setzt sich stark dafür ein.
Die Unterzeichnung des Kyoto Protokolls verpflichtet die Länder, ihre CO2
Emission
zu verringern. Deshalb ist Amerika in so starke Kritik geraten, da es als einziges
großes Industrieland das Kyoto Protokoll nicht unterschrieben hat.
Einer der neusten Ansätze besteht darin, das CO2
unter der Erde zu lagern. Dazu
verwendet man alte Salzstöcke oder Gasminen und presst dort CO2
hinein. Das
Kohlenstoffdioxid soll unter Gips und Tonschichten eingeschlossen werden und
angeblich Millionen Jahre unter der Erde bleiben. Doch die Methode ist sehr
umstritten, da es sehr teuer und Energieaufwendig ist, das CO2
aus der Luft zu
trennen. Trotzdem hat das Max Planck-Institut eine Testanlage errichtet, die 60000
Tonnen CO2
einlagern kann. Sicherlich kann dies nur eine Übergangslösung sein. 9
Sollte man aufgrund dieser Probleme ganz auf fossile Energien verzichten und auf
Atomkraft umsteigen? Oder die Sonne auf Erden anzünden und damit Energie
erzeugen?
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2. Kernspaltung
2.1 Geschichte
Als Entdecker der Radioaktivität gilt Antoine Becquerel, der am 24. Februar 1896
eine Schwärzung von Fotoplatten durch Uran unabhängig von anderen äußeren
Einflüssen nachwies. 11
Ab 1898 isolierten Marie und Pierre Curie die Elemente Radium und Polonium. Sie
nannten diese Stoffe „radioaktiv“ .12
Die Physiker Otto Hahn und Fritz Straßmann wiesen 1938 die Spaltung eines
Uranatoms durch Neutronen nach. 14
Enrico Fermi setzte 1942 den ersten Kernreaktor in Betrieb erste kontrollierte
Kernspaltung.14
Der Wettstreit zwischen Deutschland und USA um die Atombombe
beginnt.
Am 6. August 1945 wird eine Atombombe über Hiroshima abgeworfen und 3 Tage
später in Nagasaki.14
Am 20. Dezember 1951 wird zum ersten Mal Strom durch Kernenergie gewonnen,
im Experimental Breeder Reaktor 1. Kurz darauf wird die Stadt Arco mit Kernenergie
versorgt.14
In Tschernobyl gerät am 26. April 1986 ein Reaktorblock außer. An diesem
Reaktorblock wurden zu diesem Zeitpunkt Testarbeiten durchgeführt.
Währenddessen kam es zu einem Technischen Defekt, die von dem Reaktorpersonal
nicht mehr beherrscht wurden. Die Kernschmelze war nicht mehr zu verhindern. Es
ereignete sich ein Supergau. Es wurden beachtliche Mengen radioaktives Material
freigesetzt, die sich auf der ganzen Erde verteilten. 14
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2.2 Radioaktivität
Als Radioaktivität bezeichnet man die Eigenschaft von bestimmten Elementen oder
Isotopen, ohne äußere Einflüsse ständig Energie in Form von Strahlung abzugeben.
Radioaktivität ist auch in der Natur vorhanden. Aber nur zu einem geringen
(harmlosen) Prozentsatz. Am bekanntesten ist das C-14, welches z.B. für die
Radium-Karbon-Methode verwendet wird.
Seit 1950 steigt die Radioaktivität auf der Erde, bedingt durch zivile und militärische
Nutzung der Kernenergie. Gemeint sind der Abbau von Uran für Kernkraftwerke und
die Durchführung von Atomwaffentests. Aber diese ist bisher im Vergleich zu der
natürlich vorkommenden prozentual zu vernachlässigen. Im Einzelfall (siehe
Tschernobyl, Hiroshima) kann sie allerdings erheblichen Schaden verursachen.
2.2.1 α Strahlung
Es wird hauptsächlich zwischen 3 Strahlungsarten unterschieden. Die
energiereichste Strahlung ist Alphastrahlung. Sie besteht aus Helium - 4 Kernen.
Diese entsteht bei der Umwandlung eines Atoms in ein anderes Atom. Dabei
verringert sich die Nukleonen-Zahl um vier (zwei Protonen und zwei Neutronen).
z.B.:
226
88Ra →
222
86Rn
2-
+ 4
He2+
+ Energie
Abbildung 3
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Die Reichweite von α-Strahlung liegt nur bei wenigen cm und kann schon von Papier
abgehalten werden
2.2.2 β Strahlung
Die β Strahlung ist zwar nicht so energiereich wie die Alphastrahlung, aber immer
noch sehr energiereich. Sie besteht aus Elektronen (β-
) und Photonen (β+
), die durch
Umwandlung eines Neutrons in ein Proton entstehen. Deshalb bleibt bei einem
Atom, welches β Strahlung aussendet die Ordnungszahl unverändert. Nur die
Neutronenzahl verringert sich und die Protonenzahl steigt an.
210
82Pb →
210
83Bi
+
+ e-
+ Energie
Abbildung 4
Die Reichweite von β liegt bei mehreren Metern und kann durch mehre Millimeter
dicke Bleiplatten abgehalten werden.
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2.2.3 γ Strahlung
Die Gammastrahlung ist die die energieärmste Strahlung. Die Strahlung entsteht
beim Übergang von einem angeregten zu einem energieärmeren Zustand. Bei der γ
Strahlung entstehen Photonen oder Gammaquanten (g). Im Gegensatz zu α und β
Strahlung bleibt bei der γ Strahlung sowohl Ordnungszahl als auch Protonenzahl
unverändert.
234
91Pa →
234
91Pa + γ
Abbildung 5
γ Strahlen können mehrere cm dicke Bleiplaten durchdringen.
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2.2.4 Halbwertszeit
Die Halbwertszeit ist die Zeit in der die Atome auf die Hälfte der Ausgangmenge
zerfallen sind.Die Anzahl berechnet sich nach folgender Formel:
N = N0
·0,5t
th
Abbildung 6
Bei der Halbwertszeit handelt es sich nur um eine Wahrscheinlichkeit, dass nach
einer Halbzeit die Hälfte zerfallen sind. Es können auch weniger oder mehr zerfallen.
2.3 Kernspaltung
Kernspaltung bezeichnet die Teilung eines schweren Atoms in zwei Bruchstücke. Zur
Atomspaltung wird das Uran-Isotop 235 verwendet. Durch Hinzufügen von einem
Neutron entsteht das Uran-Isotop 236. Letzteres befindet sich in einem stark
angeregten Zustand. Das Isotop wird in zwei leichtere Atomkerne gespalten. Dabei
werden auch noch 2-3 (durchschnittlich 2,8) Neutronen frei. Durch die positive
Ladung (Coulombkraft) der zwei Atomkerne stoßen sie sich gegenseitig ab und
beschleunigen sich in die entgegengesetzte Richtung. 80- 90 Prozent der Energie
N= Anzahl der Atome
N0
= Anzahl der Anfang
vorhanden Atome
th
=Halbwertszeit
t= Vergangene Zeit
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werden durch die Beschleunigung frei, die restlichen 10-20 Prozent durch die
Radioaktivität der Spaltprodukte. Die freiwerdenden Neutronen können andere Uran-
235 Isotope treffen und der Vorgang beginnt im Sinne einer Kettenreaktion von
vorn. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Neutron an Uran-235 Isotope anlagert,
hängt von der Geschwindigkeit des Neutrons - je langsamer das Neutron desto
wahrscheinlicher - und von der der vorhandenen Menge des spaltbaren Materials ab.
Uran generell ist nicht spaltbar, nur sein Isotop 235, welches in der Natur zu 0,71 %
vorkommt.
Abbildung 7
2.4 Uran
Um die Kernspaltung in Atomkraftwerken zu betreiben muss man das Uran Isotop
235 von 0,71 Prozent auf 3,0 Prozent anreichern. Da damit die Wahrscheinlichkeit
erhöht wird, dass ein Neutron auf einen Uran-235 Kern trifft.
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2.5 Atomkraftwerke
Durch die Spaltung von Uran-235 wird Kernenergie frei. Die freiwerdende Kinetische
Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt und zum Erwärmen von Wasser
verwendet. Der Wasserdampf wird auf Turbinen geleitet. Die Turbinen produzieren
den Strom.
Atomkraftwerke:
Gegen Ende 2006 gab es 437 Kernkraftwerke und 29 Kraftwerke waren im Bau. Es
gibt im wesentlichen zwei unterschiedliche, weit verbreitete Typen. Die einen sind
die Druckwasserreaktoren (61 %) und die anderen die Siedewasserreaktoren (21 %).
Beide sind Leichtwasserreaktoren.
Abbildung 8
Leichtes Wasser dient zum Bremsen der Neutronen und als Kühlmittel (dunkelblauer
Kreislauf). Das erwärmte Wasser erhitzt den zweiten Wasserkreislauf. Das Wasser
hier verdampft und treibt die Turbinen an (hellblauer Kreislauf). Der zweite
Wasserkreislauf wird durch einen dritten Waserkreislauf abgekühlt und das Wasser
kondensiert. 15
Der Wirkungsgrad von Druckwasserreaktoren liegt bei 34%.
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Abbildung 9
Siedewasserreaktoren gehören ebenfalls zu den Leichtwasserreaktoren. Auch hier
dient Wasser als Neutronenbremse und als Kühlmittel. Im Gegensatz zu den
Druckwasserreaktoren verdampft bei den Siedewasserreaktoren das Wasser sofort.
Dieser Wasserdampf treibt wieder eine Turbine an. Der Wasserdampf kondensiert
durch das Anlegen eines zweiten Wasserkreislaufes.15
Die Nutzungsdauer von Atomkraftwerken liegt bei mindestens 40 Jahren.
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2.6 Atombombe
Die Entwicklungen an der Atombombe starteten im August 1942 unter dem
Decknamen Manhattan Projekt. Schon 3 Jahre später, am 3.August 1945 wurde eine
Atombombe auf Hiroshima abgeworfen. Obwohl der Krieg vorbei war, ging die
Forschung nach 1945 weiter und es begann ein allgemeines Aufrüsten. Die durch
die Sprengkraft freiwerdende Energie berechnet sich genauso wie bei der normalen
Kernspaltung nach der Einsteinischen Formel: 𝐸 = 𝑚 × 𝑐2
Sobald das Uran ein bestimmtes Gewicht erreicht hat, das die Kettenreaktion
auslöst, spricht man von der Kritischen Masse. Wird dieses Gewicht nochmal erhöht,
spricht man von einer superkritischen Anordnung, bei der in einer kurzen Zeit viel
Energie frei wird. Liegt der Wert aber unter der kritischen Masse findet keine
Kettenreaktion statt, da zu viele Neutronen nach außen fliegen und so die
Kettenreaktion nicht aufrecht erhalten wird.
Es gibt verschiedene Arten, wie Atombomben zur Detonation gebracht werden. Bei
der Einfachsten werden zwei Halbkugeln aus Uran aufeinander geschossen und es
kommt zur Detonation.
Abbildung 10
Bei einer anderen Methode wird die Atombombe durch Implosion gezündet. Bei
dieser Implosionsbombe ist das Uran von hochexplosiven Bestandteilen umgeben.
Jede dieser hochexplosiven Bestandteile ist mit einem Sprengsatz versehen, der bei
einer Detonation gleichzeitig gezündet wird. Durch den enormen Druck der
Detonationswelle wird die Kugel im Inneren zusammengedrückt und es erhöht sich
die Dichte. Diese erhöhte Dichte führt zu einer superkritischen Anordnung und es
kommt zur Detonation der Atombombe. Die am 9. August 1945 in Nagasaki
abgeworfene Atombombe war eine Implosionsbombe. Ihre Sprengkraft betrug
20 Kilotonnen TNT.
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In einer Atombombe läuft die Kettenreaktion in ungefähr einer Millisekunde ab und
setzt dabei eine riesige Wärmenergie frei. In diesem kleinen Raum werden mehrere
Millionen Grad erzeugt.
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3. Kernfusion
3.1 Kernfusion in der Sonne
Wieso leuchtet die Sonne? Oder wieso leuchten die Sterne? Die Sonne Leuchtet durch
die Kernfusion!
3.1.1 Entdeckung der Kernfusion
Seit 1929 vermuteten die Forscher Atkinson und Houtermans, dass die
Verschmelzung zweier leichterer zu einem schweren Atom das Geheimnis der
Energiegewinnung der Sonne ist.
1939 entdeckten Bethe und Weizsäcker die Kernfusion als Energiequelle der Sonne.
Der Fusionszyklus wird erkannt.17
Ende 1940 begannen die USA, Russland und Großbritannien mit der
Fusionsforschung. Die Anfänge fielen sehr bescheiden aus, da weder genügend
Wissen wie zum Beispiel theoretisches Verständnis für das Plasmaverhalten
vorhanden war noch die Technik ausreichte zum Beispiel für die Vakuumtechnik.
Auch die experimentelle Erfahrung fehlte, die man heute durch die lange
Fusionsforschung hat. Es fehlten noch Heizapparaturen, Messgeräte und schnelle
Computer, mit denen heute das komplexe Plasmaverhalten berechnet wird. Bald
zeigten sich die ersten großen Schwierigkeiten. Hoffnungen auf schnelle Erfolge
erfüllten sich nicht. Man musste mit einem Langzeitprogramm und mit intensiver
Grundlagenforschung beginnen. Deshalb wurde am 28. Juni 1960 das Max Plank
Institut für Plasmaphysik gegründet.17
Am 31. Oktober 1952 wird die erste Kernfusion auf der Erde gezündet. Es explodiert
eine Wasserstoffbombe im Eniwetock – Atoll.17
3.1.2 Thermonukleare Fusion
Warum geben Sterne am Himmel Licht ab?
Es geschieht durch die Thermonukleare Fusion. Was ist die Thermonukleare Fusion?
Man bezeichnet damit einen Prozess der Verschmelzung von leichteren Atomkernen
zu schwereren. Auf der Sonne fusionieren vier Wasserstoffkerne zu einem
Heliumkern. Um eine Thermonukleare Fusion herbeizuführen sind ein großer Druck
und mehrere Millionen Grad Kelvin nötig. In der Sonne braucht man aufgrund des
sehr hohen Drucks nur fünfzehn Millionen Grad Kelvin, während man auf der Erde
für diesen Prozess mehrere hundert Millionen Grad Kelvin braucht. Wieso wird bei
diesem Prozess Energie frei? Das Helium Atom ist 0,7% leichter als die vier
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Wasserstoffkerne. Diese Masse wird nach der Einsteinformel (𝐸 = 𝑚 × 𝑐2) in Form
von Energie frei.
Die Kernfusion wird in der Sonne in 3 verschiedene Prozesse unterteilt:
Abbildung 11
Bei dem ersten Prozess verschmelzen 2 Wasserstoffkerne in ein Deuterium-Isotop.
Während dieses Prozesses werden Positronen und Neutrinos frei. Das Deuterium
und ein weiteres Wasserstoffatom verschmelzen zu einem Helium – 3 – Kern.
Während dieses Prozesses werden Gammaquanten frei. Beim dritten Prozess
fusionieren zwei Helium – 3 – Kerne zu einem Helium – 4 – Kern und es werden
wieder 2 Wasserstoffkerne abgegeben:
4 H+
→ 4
He2+
+ 2 e+
+ 2 µe
+ 26,72 MeV
e+
:Positronen, µe
: Elektronneutrinos
In der Sonne reagieren pro Sekunde laut Max Plank Institut ungefähr 540 Tonnen
und laut Microsoft® Encarta 650 Tonnen Wasserstoff zu 536 Tonnen Helium
bzw.646 Tonnen Helium. Die Differenz von 4 Tonnen steht als freiwerdende Energie
zur Verfügung (E=m×c2
). Die Sonne wird somit in einem Jahr um 123 Millionen
Tonnen leichter. Mittlerweile hat die Sonne seit der Entstehung ungefähr die Hälfte
ihres Wasserstoffs, den sie fusionieren wird in Helium umgewandelt. Da die Sonne
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aber schon 4,37 Milliarden Jahre alt ist wird es ungefähr noch 5 Milliarden Jahre
dauern bis die Sonne erlöschen wird.
In anderen größeren Sternen entstehen bei der Kenfusion nicht nur Elemente wie
Helium sondern auch Lithium oder Beryllium und in ganz großen Sternen entstehen
alle Elemente bis zum Eisen. Jetzt kommen wir zur entscheidenden Frage, wieso
sowohl bei der Kenspaltung als auch bei der Kernfusion Energie entsteht. Dies ist
auf die mittlere Bindungsenergie der Nukleonen zurückzuführen, die Bindungskraft
zwischen den Atomkernen. Diese steigt bis zum Element Eisen an und nimmt ab
dem Element Eisen wieder ab, was dazu führt, dass bei einer Kenspaltung Energie
frei wird. Die Energie berechnet sich nach der Einsteinischen Relativitätstheorie
E=m×c2
.
3.2 Erde
Da der Prozess der Kernfusion ungefähr 3 000 000 % ertragreicher als eine einfache
Verbrennung von Kohle ist, ist es klar, dass man versucht den Prozess der
Kernfusion auf der Erde nachzuahmen. So braucht man zum Beispiel um die gleiche
Energie zu erzeugen 2 000 000 Tonnen Kohle, 1300 000 Fässer Öl oder 30 Tonnen
Uran, aber nur 0,6 Tonnen Deuterium (Kernfusion). Aus der Angst heraus, dass die
fossilen Energien auf der Erde bald versiegen werden müssen Alternativen gefunden
werden, um diese bestmöglich zu ersetzen. Eine Option wäre die Kernfusion.
3.2.1 Geschichte
Am Anfang der Kernfusionsforschung war völlig unklar, auf welchem Weg man die
Kernfusion auf der Erde erreichen könne. Deshalb begann man mit einer breit
angelegten Grundlagenforschung. Dazu musste man das Plasma genau
untersuchen. Plasma wird als vierter Aggregatszustand bezeichnet. Diesen Zustand
erreicht man indem man Dampf noch weiter erhitzt. Beim Plasma haben sich die
Elektronen vollständig von den Protonen gelöst und fliegen frei herum. Im Vergleich
zu den anderen 3 Aggregatzuständen hat das Plasma vollkommen andere
Eigenschaften. Gerade die verschiedenen Einschlussarten des Plasmas durch
Magneten mussten erforscht werden. Man testete geradlinige und ringförmige
Anfang der siebziger Jahre waren die Testreaktoren noch sehr klein im Vergleich zu
heute. Trotz Fortschritte auf diesem Gebiet waren die Resultate weitgehend
unbefriedigend. Es gab Ausnahmen wie zum Beispiel WENDELSTEIN 2a im Max Plank
Institut. Man konnte dort beweisen, dass Plasmaeinschluss mit relativ geringer
Dichte und geringer Temperatur möglich ist, wie die Theorie besagte. WENDELSTEIN
ist der Name für die Versuchsreaktoren im Max Plank Institut für Plasmaphysik.
1968 lieferte der Russische Tokamaks T3 so gute Ergebnisse, dass ein regelrechtes
Tokamak Fieber entstand. Ende 1970 ließ man die kleineren Experimente auslaufen
und konzentrierte sich jetzt auf die zwei Anlagetypen Tokamak und Stellarator. In
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den achtziger Jahren setzte sich der Tokamak durch. Man untersuchte sowohl die
Aufheizung als auch den Einschluss des Plasmas. Es standen mittlerweile
leistungsfähigere externe Verfahren zur Verfügung. Doch es entstand ein
gravierendes Problem. Die Wärmeisolierung nahm ab je weiter man das Plasma
aufheizte. Man befürchtete, dass man nie ein Brennendes Plasma erreichen werde.
Der Tokamak ASDEX (Axialsymmetrisches Divertor-Experiment) brachte die Lösung,
indem man mit dem „HRegime“ (High-confinement regime)die Wärmeleistung
verdoppelte. Diese wurde durch eine bestimmte Anordnung der Magnetfelder im
Reaktor, genannt Divertor, erreicht. ASDEX ist der Forschungsreaktor im Max Plank
Institut in Garching. (Mehr dazu Später). Aufgrund neuer Erkenntnisse beim
Stellarator wurde dieser wieder attraktiver, auch bedingt durch die neuen
Rechenleistungen der Computer, die das Plasmaverhalten im Stellarator besser
berechnen konnten. So konnte eine bessere Anordnung der Magnete erreicht
werden. Aufgrund dieser neuen Möglichkeiten, die sich auftaten, begann man über
ein größeres gemeinsames Projekt nachzudenken und zu planen. Dieses wurde Iter
genannt. Darauf wird später eingegangen. 1997 erreicht der Englische
Fusionsreaktor JET 14 Megawatt Fusionsleistung. Als Erfolg konnten bereits 65% der
aufgewandten Energie zurückgewonnen werden.20
3.2.2 Kernfusion Erde Allgemein
Auf der Erde hat man das Ziel, sich die Energie der Kernfusion zunutze zu machen.
Bedingt durch die extrem hohen Temperaturen und den hohen Druck, die dafür
notwendig sind, ist es sehr schwierig diesen Prozess auf der Erde zu verwirklichen.
Die auf der Sonne für die Kernfusion optimal vorhandenen Bedingungen können auf
der Erde nicht einfach nachgeahmt werden. Deshalb wird auf der Erde eine Fusion
angestrebt, die unter moderateren Bedingungen ablaufen kann. Auf der Erde will
man nicht 4 Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern fusionieren, sondern Tritium
mit Deuterium fusionieren. Bei dieser Anordnung ist der Fusionspunkt geringer als
bei 4 Wasserstoffkernen. Dieser Prozess der Kernfusion zwischen Tritium und
Deuterium ist viel einfacher als bei der Kernfusion in der Sonne. Dabei reagieren
Tritium mit Deuterium zu einem Heliumatom und einem Neutron:
3
H+2
H He24
+n
Jahresarbeit von Ferdinand Scheubeck
Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung
Seite 23
Abbildung 12
Außer der Reaktion von Deuterium mit Tritium gibt es auch noch die Deuterium-
Deuterium Reaktion der entscheidende unterschied ist, dass dort keinen Neutron
frei wird. Die Reaktion von Deuterium mit Tritium braucht eine viel niedrigere
Temperatur als bei Deuterium mit Deuterium um die Zündbedingungen zu erreichen
und auch liegt das Reaktionsmaximum der Reaktion bei der Kernfusion bei Tritium
und Deuterium bei einer viel geringeren Temperatur als bei der Deuterium-
Deuterium Reaktion.
Wobei der entscheidende Vorteil der Deuterium - Deuterium Reaktion ist das dort
keine Strahlung frei wird.
Was braucht man, um in einem Reaktor aktive Kernfusion zu betreiben?
Man benötigt eine sehr hohe Temperatur von mindestens 100 Millionen Grad Kelvin,
damit eine Kernfusion in Gang gebracht werden kann. Zudem braucht man ein
Plasma, das ungefähr 1014
Teilchen Deuterium pro Kubikzentimeter enthält. Diese
zwei Bedingungen lassen sich auf der Erde bereits heute verwirklichen. Eines der
größten noch zu lösenden Probleme ist, dass man eine Einschlusszeit von
mindestens 5 Sekunden braucht, um optimale Zündbedingungen für die Fusion zu
haben. Die Einschlusszeit ist die Zeit, die die Energie im System bleibt. Diese liegt
zurzeit zwischen 2- 3 Sekunden und ist damit um einiges zu kurz. In den letzten
Jahrzenten stieg die Einschlusszeit kontinuierlich an, hauptsächlich durch eine
Vergrößerung der Reaktoren.
Jahresarbeit von Ferdinand Scheubeck
Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung
Seite 24
3.2.3 Kernreaktoren
Auf dem Weg zur Fusionsforschung haben sich 2 Reaktortypen durchsetzen können:
der Tokamak und der Stellarator. Der Tokamak ist der besser erforschte Reaktortyp.
Er ist allerdings bisher nicht für den Dauerbetrieb geeignet. Der Stellerator ist der
weniger erforschte Reaktor und wird auch noch bis heute finanziell weniger
gefördert, da dieses System technisch komplizierter ist. Der Stellerator ist aber
aufgrund seiner Baueigenschaft schon für den Dauerbetrieb ausgelegt. Beide
arbeiten mit Magnetfeldern als Abschirmung, um das Plasma dicht beisammen zu
halten und von den Wänden fernzuhalten, damit es sich nicht abkühlt. Mit seiner
Temperatur von 100 Millionen Grad würde es ohne Magnetabschirmung die Wand
zerstören und dabei stark abkühlen. Bei zu starkem Temperaturverlust stoppt die
Kernfusion. Somit ist eine Hauptaufgabe, die Hitze im Plasma zu erhalten. Dazu
nutzt man die Eigenschaft des Plasmas, das magnetisch ist, weil die Elektronen vom
Atomkern gelöst sind. 22
3.2.3.1 Tokamak
Abbildung 13
Tokamak ist die Abkürzung für „Toroidalnaja Kamera Magnitnoy Katuschki“. Eine
sinngemäße Übersetzung könnte etwa so lauten: „Torusförmige Kammer im
Magnetfeld der Spule”. Der Tokamak wurde von zwei Russen, nämlich von Igor
Jewgenjewitsch Tamm Sacharow und von Andrej Dmitrijewitsch entwickelt.
Der Tokamak hat 3 Magnetfelder: Die Hauptfeldspulen erzeugen ein ringförmiges
Magnetfeld für den Einschluss des Plasmas. Die Transformatorspule bewirkt die
Verdrillung des Plasmas. Ohne diese Spule würde das Plasma zu schnell seine Bahn
Jahresarbeit von Ferdinand Scheubeck
Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung
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verlassen und an die Wand prallen. Das dritte Magnetfeld sind die
Vertikalfeldspulen. Sie fixieren und formen das Plasma im Reaktor.
Da beim Tokamak der Plasmastrom durch eine Transformatorspule induziert wird,
arbeitet der Tokamak nicht im Dauereinsatz. Er wird gepulst. Im Transformator kann
nur für eine kurze Zeit ein ansteigender Strom erzeugt werden. Danach muss der
Transformator entladen werden und der Prozess setzt aus. Deshalb werden immer
wieder neue Methoden untersucht, um den Tokamak später im Dauerbetrieb laufen
zu lassen. Zum Beispiel werden Versuche unternommen, den Strom kontinuierlich
durch Hochfrequenzwellen zu erzeugen, damit der Tokamak im Dauerbetrieb
eingesetzt werden kann.
Heute sind die meisten Spulen aus Kupfer. Sie werden mit einer Bohrung
durchzogen. In den Bohrungen befindet sich Kühlwasser. Diese werden mit
Glasfaserbändern isoliert und mit Kunstharz vergossen. Es bewirkt zusätzlich noch
einen Erhöhung der Festigkeit der Spulen.
In Zukunft werden die Kupferspulen durch supraleitende Spulen ersetzt werden.
Letztere haben den Vorteil, dass sie bei tiefen Temperaturen fast keine Energie
verbrauchen, weil der Spulenstrom fast verlustlos fließt. Sie sollen zum Beispiel bei
Iter eingesetzt werden.
Das Gefäß, in dem sich das Plasma befindet muss verschieden Anforderungen
genügen. Zum einen darf es keine Luft hereinlassen. Es muss darin ein Hochvakuum
erzeugt werden.
Im Max Plank Institut für Plasmaphysik sind es beim ASDEX Upgrade 115
Öffnungen, die Vakuumdicht angeschweißt wurden.
In diesem Gefäß müssen auch das Helium und die Verunreinigungen abgeführt
werden, da diese sinnlos viel Energie verschwenden würden. Das Helium ("Asche")
und die Verunreinigungen werden durch Divertorpumpen entfernt.
Zum anderen muss der Brennstoff auch nachgefüllt werden. Dafür gibt es
verschiedene Methoden: Das Gaseinblasen vom Gefäßrand, Neutralteilcheninjektion
oder Pelletinjektion. Die Pelletinjektion verdient eine genauere Erläuterung. Dabei
wird das Wasserstoffgas so stark abgekühlt bis es einfriert. Das gefrorene Gas wird
dann in Kügelchenform geformt und dann mit Gaskanonen und Zentrifugen
beschleunigt und in den Reaktor geschossen. Im Reaktor werden diese wieder
Ionisiert. Ein großer Vorteil der Methode ist, dass man die Pellets an jeder Stelle
einschießen und so die Plasmaverteilung beeinflussen kann. Im ASDEX Upgrade
können 80 Pellets pro Sekunde mit einer Geschwindigkeit von 1200 Meter pro
Sekunde eingeschossen werden. Dabei reicht schon eines der ein Milligramm
schweren Pellets aus, um ein Drittel des Brennstoffes nachzufüllen.
Jahresarbeit von Ferdinand Scheubeck
Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung
Seite 26
Testbetrieb in einem Reaktor:
Zuerst wir ein Hochvakuum erzeugt, dann wird das äußere Magnetfeld zugeschaltet
und die Transformatorspule wird hochgefahren. Nach dem Hochfahren wird der
Wasserstoff eingeleitet. Dadurch erhöht sich der Druck um das Tausendfache auf
10-5
Millibar. Dann wird der Transformator entladen. Das Wasserstoffgas wird
ionisiert und verwandelt sich in ein Plasma. Nach und nach erhitzt sich das Plasma
und es kommt zur Kernfusion. Das Ende der Kernfusion ist durch den Transformator
bedingt, da dieser den Plasmastrom treibt. Wenn dieser sich am Minimumpunkt
befindet nimmt der Plasmastrom langsam ab und das Ende der Reaktion ist erreicht.
23
Die Messungen bei einer derart hohen Temperatur sind sehr schwierig. Trotzdem
gibt es vernünftige Ansätze. Zum einen misst man die Eigenschaften an der Wand
und berechnet mit seinem Wissen über die Kernfusion welche Eigenschaften im Kern
sich befinden. Zum anderen setzt man Laser ein und schaut anhand der
Lichtbrechung welche Temperatur sich im Inneren befindet. Da alle Messgeräte, die
direkt in Kontakt mit dem heißen Plasma kämen entweder das Plasma zu stark
abkühlen oder zerstört werden würden, muss man auf Laser oder
Mikrowellenstrahlung zurückgreifen und daraus seine Daten sammeln.
3.2.3.2 Stellarator
Im Gegensatz zum Tokamak besitzt der Stellerator nur eine Magnetfeldspule. Da der
Stellerator nicht durch einen Transformator betrieben wird, kann er im Dauerbetrieb
arbeiten. Der Stellarator ist nicht ringförmig, seine Form ist sehr kompliziert.
Deshalb erreichten die Stelleratoren immer schlechtere Ergebnisse als die Tokamak.
Erst in den letzten Jahren gelang es durch bessere Rechenleistungen der Computer
immer bessere Formen zu entwickeln, um die optimale Konfiguration zu erzielen.
Ein Vorteil des Stellarators ist, dass er sich in der Form verändern lässt und nicht an
bestimmte Formen gebunden ist. Ein früherer Stellerator war noch sehr klein. (Siehe
Bild 12) Auf dem Bild sieht man den Wendelstein 7a Damals war dieser noch rund
gebaut. Die Ergebnisse waren dementsprechend schlecht.
Jahresarbeit von Ferdinand Scheubeck
Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung
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Abbildung 14
In Greifswald beginnt man mit dem Bau eines Stellarators, der sich die neuen
Rechnerleistungen zunutze macht. Dadurch wurden die Magnetfeldanordnung und
die Form der Magnetfeldspulen ziemlich aufwendig und eher kompliziert.
Abbildung 15
Das Bild zeigt das Modell des zukünftigen Stellarators im Max Planck Institut für
Plasmaphysik in Garching. Daran kann man ziemlich gut die spezielle Form der
Magnetfeldspulen erkennen. 24
3.2.4 Max Planck Institut für Plasmaphysik
Jahresarbeit von Ferdinand Scheubeck
Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung
Seite 28
Das Max Planck Institut für Plasmaphysik beschäftigt sich mit Kernfusion in
Deutschland. Dieses erforscht sowohl das Stellarator- Prinzip als auch das Tokamak
Prinzip. Das Max Planck Institut für Plasmaphysik wurde 1960 gegründet. 1961
wurde es in das Europäische Fusionsprogramm integriert. Seitdem arbeitet es aktiv
daran, dass die Kernfusion auf der Erde betrieben werden kann.
Schon im Gründungsjahr 1960 geht der Wendelstein 1a in Betrieb. Wendelstein ist
die Bezeichnung für alle Stellaratortypen im Max Plank Institut.
Das Max Planck Institut unterteilt sich hauptsächlich in zwei Forschungszentren,
zum einen in das Forschungszentrum in Garching, wo man die Tokamak-Technik
untersucht und zum andern das Forschungszentrum in Greifswald, wo man die
Stellarator Technik untersucht.
3.2.4.1 Max Planck Institut für Plasmaphysik in Garching
Im Max Planck Institut in Garching erforscht man gegenwärtig den Tokamak ASDEX
Upgrade. Er ging 1991 in Betrieb. Sein Vorgänger, der von 1980 bis 1990 in Betrieb
war, hieß ASDEX. Davon leitet sich auch der Name des Nachfolgers ab. Der ASDEX
Upgrade wurde seitdem ca. 300000 mal betrieben.
Tabelle 2
Technische Daten:
Gesamthöhe des
Experimentes
9 m
Gesamtradius über alles 5 m
Gewicht des Experimentes 800 t
Material der ersten Wand mit Wolfram beschichteter Kohlenstoff
Anzahl der
Toroidalfeldspulen
16
Anzahl der Vertikalfeldspulen 12
maximales Magnetfeld 3.1 Tesla
Plasmastrom 0,4 MA - 1,6
Pulsdauer < 10 s
Pulsabstand 15 - 20 min
Datenmenge / Puls 1999: 0,5 GB, zur Zeit: 4 GB Rohdaten +
ausgewertete Daten
Plasmaheizung: maximal 27MW
Ohmsche Heizung 1 MW
Neutralinjektions Heizung 20 MW (mit 2
H = D)
Injektionsenergie 60 keV und 100 keV
-Zyklotron Heizung 6 MW (30 MHz - 40 MHz)
Elektronen-Zyklotron
Heizung
2 x 2 MW (140 GHz)
Jahresarbeit von Ferdinand Scheubeck
Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung
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Abbildung 16
Das obere Bild ist ein Querschnitt des ASDEX Upgrade. An diesem kann man sehr
gut die Toroidalfeldspulen, auch Hauptfeldspulen genannt, erkennen (türkis).
3.2.4.1.1 Besuch im Max Planck Institut in Garching
AM 21. Mai 2008 besuchten wir, der zukünftige Physikleistungskurs der jetzigen
elften Klasse, das Max Planck Institut in Garching. Nach einem Vortrag und einem
Film wurden wir in die Materialforschung eingeführt. In der Materialforschung testet
man verschiede Gegenstände, ob diese sich als Reaktorwand eignen. Dazu stellt
man unterschiedliche Präparate her und beschießt sie mit Neutronen in einem
Teilchenbeschleuniger. Danach wird der Zerstörungsgrad und die Strahlung
untersucht. Am besten haben sich Kohlenstoff und Wolfram erwiesen. Der Vorteil
von Kohlenstoff ist, dass dieser nicht so stark strahlt, wenn Neutronen auf ihn
prallen. Außerdem hält Kohlenstoff der Hitze recht gut stand. Der Nachteil ist, dass
Kohlenstoff recht leicht durch Neutronen beschädigt wird. Wolfram wird zwar
weniger stark beschädigt, strahlt aber stärker und länger nach Neutronenbeschuss.
Danach besuchten wir den Kontrollraum. Da an diesem Tag gerade Versuche
stattfanden, konnten wir den Reaktor leider nicht besichtigen. Der Reaktor braucht
während seiner Betriebszeit von 10 Sekunden zwischen 300 und 450 Megawatt
Energie. Damit verbraucht der Reaktor ungefähr ein viertel des
Energieaufkommens der Stadt München in diesem Zeitraum. Dieser Strom kann
natürlich nicht einfach so aus dem Netz genommen werden, da sonst das Stromnetz
Jahresarbeit von Ferdinand Scheubeck
Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung
Seite 30
zusammenbrechen würde. Deshalb betreibt man 230 Tonnen schwere
Schwungräder welche sich fast mit Schallgeschwindigkeit drehen. Während des
Betriebs des Reaktors werden die Schwungräder an einen Generator angeschlossen
und auf die Hälfte der Geschwindigkeit abgebremst.
Danach werden diese wieder Beschleunig, bis der Reaktor wieder Hochgefahren
wird.
3.2.5 ITER
ITER ist ein Zusammenschluss von Europa, Japan, Kanada, Russland, China und den
USA um Kernfusion auf der Erde zu ermöglichen. Der Name Iter wurde sorgfältig
ausgewählt es kommt vom Lateinischen und heißt Weg soll im Kontext bedeuten der
Weg zur Kennfusion. ITER steht auch noch als Abkürzung für „International
Thermonuclear Experimental Reactor“.
Son seit 1985 sprach man über ein gemeinsames Projekt. Man währe schon 1998
bereit gewesen den Iter Reakotor zu bauen dieser wurde durch
finanzierungschwierigkeiten immer weiter nach hinten verschoben. Erst am 21.
November 2006 unter zeichete man den ITER-Vertrag. Erst am 24. November 2007
trat dieser in Kraft. Ab 2009 wird mit dem Bau begonnen dieser soll in ca. 10 Jahren
das erste Plasma zu erzeugen.
Die Baukosten werden wahrscheinlich 5 Milliarden Euro betragen und für die
Betriebskosten noch mahl 265 Millionen Euro veranschlagt. Insgesamt geht man von
10 Milliarden Euro aus. Europa zahlt 50 Prozent der Kosten während sich die
anderen Länder mit nur an 10 Prozent beteiligen.
Um die Kernfusion zu verwirklichen baut man in Cadarache in Südfrankreich ein
großer Kernfusionsreaktor. Mit ihm will man beweisen will das Kernfusion auf der
Erde Möglich ist.
Hizu wir ein risiger Tokamak Reaktor gebaut der die große schwche der heutigen
Reaktorne die Einschluss zeit nicht mehr haben. Durch einen vergröserung des
Reaktors ereichrt man eine höhere einschluszeit da die energie länger braucht bis
sie nach ausen getreten ist. Auch soll der Reaktor mit supraleitenden spulen laufen
um diese für spätere Reaktoren zu testen.
Tabelle 3
Technische Daten:
Gesamtradius 10,7 Meter
Meter Höhe (über alles) 30 Meter
Plasmaradius 6,2 Meter
Plasmavolumen 837 Kubikmeter
Plasmamenge 0,5 Gramm
Magnetfeld 5,3 Tesla
Maximaler Plasmastrom 15 Megaampere
Heizleistung und Stromtrieb 73 Megawatt
Jahresarbeit von Ferdinand Scheubeck
Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung
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Fusionsleistung 500 Megawatt
Energieverstärkung 10
Mittlere Plasmatemperatur 100 Millionen Grad
Brenndauer > 400 Sekunden
Ein Großes Problem was immer noch berstet ist wie der Iter Reaktor im Dauerbetrieb
betrieben werden soll.
An dem Bild kann man relativ gut die Größe des Reaktors erkennen. Davor steht ein
Mensch als Modell.
Abbildung 17
4. Vergleich zwischen Kernfusion und
Kernspaltung
Welches ist die beste Methode für die Energieerzeugung?
Was sind die Vorteile und Nachteile?
Jahresarbeit von Ferdinand Scheubeck
Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung
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Kernspaltung ist bei normalen Temperaturen und Voraussetzungen möglich. Sie ist
schon im Einsatz und wird schon ausgiebig genutzt. Allerdings sind die Probleme
der strahlenden Abfälle, ihr Transport (Stichwort Castorbehälter) und insbesondere
ihre Endlagerung bislang keineswegs gelöst. Für die Kenfusion werden noch sehr
viele finanzielle Mittel und „Hirnschmalz“ nötig sein bis Energieerzeugung
wirtschaftlich möglich sein wird. Bereits jetzt ist absehbar, dass die Kernfusion viel
teurer im Einsatz sein wird als die Kenspaltung.
Bei einem Supergau in einem Atomkraftwerk ist die gesamte Gegend verstrahlt und
es sterben viele Menschen im Umkreis, wie wir bei der Katastrophe von Tschernobyl
1984 gesehen haben. Die Region ist dann für Generationen nicht mehr bewohnbar.
Die ganze Zeit kann weiteres radioaktives Material austreten. Es muss deshalb
möglichst abgedichtet werden, was für die Arbeiter entsprechend äußerst gefährlich
ist. In Tschernobyl sind noch Jahre nach dem Unglück Arbeiter an den Folgen der
Strahlenkrankheit verstorben. Kinder, die in der betroffenen Region gelebt haben,
haben vermehrt Schilddrüsenkrebs bekommen.
Bei einem Kernfusionsreaktor wird bei einem Unfall die Wand beschädigt, wonach
die Kernfusion sofort aussetzt, da sich das Plasma in der Folge zu stark abkühlen
würde. Schlimmstenfalls sind ein paar Millionen Euro in den Sand gesetzt. Aber
keinesfalls ist dadurch eine Verstrahlung der Umgebung oder der Tod tausender
Menschen zu befürchten.
Uran ist nur zu einem geringen Anteil auf der Erde vorhanden und wird in 50 Jahren
aufgebraucht sein. Kernspaltung ist somit sicherlich nicht die Lösung für die
Energieprobleme der nächsten Jahrhunderte, sondern allenfalls eine
Übergangslösung. Das Deuterium als „Brennstoff“ für die Kernfusion wird dagegen
noch Jahrtausende reichen.
Wie ist die Endlagerung gelöst?
Bei der Kenspaltung strahlt das Spaltprodukt mindestens 10000 Jahre, bis es
abgeklungen ist. Bei der Kernfusion strahlt das Fusionsprodukt nicht. Jedoch prallt
das freiwerdende Neutron auf die Wände und beschädigt diese, wodurch auch
strahlende Stoffe entstehen. Man versucht sich dadurch zu helfen, dass man das
Wandmaterial nach dem Betrieb abklingen lässt. Man verwendet entweder
Kohlenstoff oder Wolfram. Kohlenstoff ist zum Beispiel nach 200 Jahren
abgeklungen und strahlungsärmer als Kohlenstoff nach einer Verbrennung.
Meiner Meinung nach lohnt sich der hohe finanzielle Aufwand mit der Erforschung
der Kernfusion, da wir mit dieser ein Problem weniger hätten. Kein CO2
– Ausstoß,
keine globale Erwärmung durch den Energiehunger. Es handelt sich zudem um eine
Energieressource, die uns sehr lange zur Verfügung steht. Die Endlagerung der
Stoffe ist auf ein Minimum begrenzt.
Jahresarbeit von Ferdinand Scheubeck
Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung
Seite 33
5. Ausblick
Wie wird es in Zukunft mit der Kenfusionsforschung weitergehen?
Der Bau von Iter soll bis spätestens 2018 abgeschlossen sein. Danach beginnt das
Forschen und Testen des Iter Reaktors. Dieses soll zwischen 10 und 20 Jahren
dauern. Parallel dazu wird die Stellaratortechnik vorangetrieben und getestet. Um
das Jahr 2030 wird man sich entscheiden und auswählen, welcher der Reaktoren
sich als einfacher und sinnvoller erweist. Dann soll ein Rektor gebaut werden, der
hoffentlich mehr Strom erzeugen kann als hineingesteckt werden muss. Die
vorherigen Reaktoren konnten keinen Strom erzeugen, der tatsächlich genutzt
werden konnte, unter anderem da die Techniker den Platz für die Testgeräte
brauchten. Das Projekt soll dann im Jahr 2045 auslaufen.
5.1 Im Jahr2050
Wenn alles gut läuft, dann werden die ersten Kernfusionsreaktoren schon 2050 ans
Netz gehen.
Jahresarbeit von Ferdinand Scheubeck
Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung
Seite 34
Quellenangabe
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Jahresarbeit von Ferdinand Scheubeck
Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung
Seite 35
Bilder
1. http://derrotefaden.de.ohost.de/media/Carbon_Dioxide_400kyr-2.png +
Bearbeitung
2. All rights reserved Ferdinad Scheubeck
3. All rights reserved Ferdinad Scheubeck
4. All rights reserved Ferdinad Scheubeck
5. All rights reserved Ferdinad Scheubeck
6. All rights reserved Ferdinad Scheubeck
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10. Microsoft Encarta
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14. All rights reserved Ferdinad Scheubeck (wurde in Garching geschoßen)
15. All rights reserved Ferdinad Scheubeck (wurde in Garching geschoßen)
16. www.ipp.mpg.de/ippcms/de/images/pic/images_bereiche/asdex/old_images
/vessel_ger.gif
17. All rights reserved Ferdinad Scheubeck(wurde in Garching geschoßen)
Tabele
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Paraktischer Teil war der Ausflug nach Garching den ich organisit habe.