Das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsenergie wird oft als „Q“ bezeichnet 
.
Um Q zu erhöhen, können wir zwei Dinge tun:
- Weniger Energie verbrauchen
- Mehr Energie erzeugen
Es hat sich herausgestellt, dass diese beiden Lösungen eng miteinander verknüpft sind. Da im Prozess immer mehr Fusionsreaktionen ablaufen, erhitzt sich das Plasma von selbst. Folglich müssen wir weniger Energie zum Aufheizen einsetzen . Ab einem gewissen Punkt kommt man sogar ohne externe Heizung aus !
In den letzten 60 Jahren haben Forscher an vielen verschieden Methoden gearbeitet, um den Prozess ideal zu nutzen . Leider liegen nahezu alle der dabei entwickelten Designs bei einem Q-Wert von 0.000001 bis 0.0001 . Ein Typ hat jedoch Q=0,65 erreicht: der Tokamak .
Schauen wir uns mal an, wie dieser funktioniert!
„Tokamak“ - der Fusions-Donut
Erinnert euch an unsere drei Probleme:
- Erwärmung des Plasmas auf rund 100.000.000°C .
- Dichte .
- Aufrechterhalten des Plasmas für Minuten statt Sekunden .
Durch den Einsatz starker Magnetfelder erfüllt der Tokamak gleichzeitig die Anforderungen an den Einschluss und die Dichte des Plasmas . Diese Magnetfelder halten die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen Atomkerne in einem donutförmigen Behälter. Da die Magnete rund um das Plasma aufgebaut sind, wird ein hoher Druck - und damit eine hohe Dichte - im Plasma erzeugt .
Atme kurz durch und lehn dich zurück. Es ist wichtig, dass du bisher alles verstanden hast, weil wir uns nun einige Probleme der Fusionstechnologie anschauen, an denen Forscher derzeit arbeiten.
Woher kommen Deuterium und Tritium?
Deuterium ist leicht zu finden und in ausreichender Menge vorhanden: Man findet es im Meerwasser . Anders verhält es sich beim Tritium. Davon werden lediglich einige Kilogramm im Jahr auf natürlichem Weg erzeugt und es gibt bisher keine u0022Tritium-Fabriku0022 . Derzeit wird das benötigte Tritium aus dem radioaktiven Abfall der Kernkraftwerke gewonnen . Aber woher bekommen wir es, wenn wir diese irgendwann abschalten?
Es gibt zum Glück eine Möglichkeit, das Tritium direkt im Fusionsreaktor zu erzeugen . In der Theorie können wir ein zusätzliches Neutron verwenden, um Tritium aus Deuterium darzustellen! Die Gesamtreaktion nutzt dann Deuterium (1p1n) sowie Lithium-6 (3p6n) als Ausgangstoffe und erzeugt Helium :
Bei der Verwendung von Lithium-6 zur Darstellung von Tritium bringt zusätzliche Energie in das System . Das macht diese Art der Gewinnung in der Praxis sehr kompliziert und sie ist daher Gegenstand aktueller Forschung, obgleich mit ungewissem Ausgang .
Wie können wir Energie aus einem Tokamak bekommen?!
So weit, so gut. Wir haben Deuterium und Tritium. Wir können sie aufheizen und die Fusion ablaufen lassen. Aber wie bringen wir die Energie aus dem Reaktor heraus?
Erinnere dich, dass Neutronen keine Ladung haben. Magnetfelder interagieren nur mit geladenen Teilchen. Das bedeutet, dass das Magnetfeld - so stark es auch sein mag - die schnellen Neutronen aus den Fusionsreaktionen nicht einschließen kann.
Diese schnellen Neutronen sind sowohl der wertvollste als auch der problematischste Aspekt der Fusion. Wertvoll, weil wir ihre Geschwindigkeit als Energie nutzen , und problematisch, weil sie die Wände des Reaktors beschädigen . Wie können wir das lösen?
In der obigen Grafik siehst du die sogenannte Blanket-Schicht zwischen dem Plasma und den Magneten . The schnellen Neutronen werden darin abgebremst und die dabei freiwerdende kinetische Energie erwärmt das Blanket . Damit können wir Wasser erhitzen, womit dann eine Dampfturbine betrieben wird (auf gleiche Weise funktionieren Kern- und Kohlekraftwerke).
Das funktioniert gut in der Theorie. Es ist jedoch kompliziert, ein Blanket herzustellen, das effizient und zugleich widerstandsfähig gegenüber den schnellen Neutronen ist .
Wie können wir Tokamaks verbessern?
Neben den Problemen rund um das Blanket haben wir noch immer nicht Q>1 erreicht. Es gibt zwei besonders wichtige Variablen in einem Fusionsreaktor, mit denen wir beeinflussen können, wie viel Energie in einem Fusionsreaktor freigesetzt wird :
- R: Der Radius des Tokamaks
- B: Die Stärke des Magnetfelds
Wie groß muss also ein Reaktor sein, um einen hinreichend großen Q-Wert zu garantieren? ITER ist weltweit größter Experiment mit dem Ziel, Q=10 zu erreichen. Wie groß ist der ITER-Reaktor?
Siehst du die Person am Boden? Das Ding ist RIESIG.
Wegen seiner Größe hat ITER mehr als zehn Milliarden Dollar gekostet und sein Bau dauert Jahrzehnte . Erinnerst du dich an den Q-Graphen von vorher? Hast du dich gewundert, warum er so plötzlich aufgehört hat? Nun weißt du warum! Die Reaktoren werden ganz einfach zu groß und es dauert damit zu lange, sie zu bauen.
Die Zahl auf der y-Achse ist hier das so genannte u0022Dreifachproduktu0022 der Fusion. Es ist ein grober Indikator dafür, wie viel Leistung ein Fusionsreaktor erzeugt und wird als Produkt der drei Hauptmerkmale eines Fusionsreaktors definiert:
ITER ist ein wissenschaftliches Experiment und kein kommerzieller Reaktor . Ein solcher Reaktor würde wahrscheinlich noch größer sein . Man kann den Radius (R) aber natürlich nicht beliebig erhöhen. Wie sieht es mit der Magnetfeldstärke (B) aus?
Könnten stärkere Magnete Reaktoren kleiner und billiger machen?
Das Magnetfeld wird dadurch erzeugt, dass wir Strom durch Spulen außerhalb des Tokamaks fließen lassen. Durch den spezifischen Widerstand der Leiter geht dabei aber Energie in Form von Wärme verloren . Manche Materialien - sogenannte Supraleiter - haben einen vernachlässigbaren spezifischen Widerstand und daher geht fast keine Energie verloren .
Neue Forschungsarbeiten an supraleitenden REBCO-Magneten (Rare Earth Barium Copper Oxide) zeigen, dass die Magnetfeldstärke (B) nahezu verdoppelt werden kann ! Der limitierende Faktor ist jetzt die Haltbarkeit des Stahls und Betons, die den Reaktor zusammenhalten. Bei voller Leistung würden die Magnete den Reaktor zereißen .
Der Einsatz von REBCO-Magneten ist höchstwahrscheinlich ein wichtiger Fortschritt in Richtung wirtschaftlicher Fusionsreaktoren mit Q>1 .
Wichtig: ITER benutzt noch alte, schwächere Supraleiter .
Zusammenfassung
Fusion war stets eine u0022Zukunftstechnologieu0022, aber wir kommen Q=1 bereits nahe .
Unternehmen und Arbeitsgruppen an Universitäten arbeiten derzeit daran, REBCO-Magnete in Tokamak-Reaktoren zu integrieren . Ihr Fortschritt wird ein zentraler Indikator für das Potential der gesamten Fusionstechnologie sein . Die Suche nach Q>1 ist jedoch nicht das einzige Problem in der Fusionsforschung.
Es gibt viele ungelöste Probleme in der Blanket-Technology, dem Tritiumbrüten sowie der Reaktorsicherheit . Das macht Zukunftsaussichten der Fusion ungewiss. Es ist jedoch sehr wahrscheinlich, dass wir innerhalb der nächsten Jahrzehnte wissen werden, ob die Fusionstechnologie tatsächlich eine unerschöpfliche Quelle sauberer Energie ist, wie ihre Befürworter nicht müde werden zu betonen.
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