Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/kernfusion-angewandte-science-fiction-1702-126018.html    Veröffentlicht: 13.02.2017 12:02    Kurz-URL: https://glm.io/126018

Kernfusion

Angewandte Science-Fiction

Bis 2025 Strom aus Kernfusion produzieren: Diesen mehr als ehrgeizigen Plan verfolgt das britische Unternehmen Tokamak Energy. Nicht alles, was die Firma sagt, ist verkehrt.

Große Versprechen hat es in der Geschichte der Kernfusion immer wieder gegeben, gehalten wurden sie selten. Tokamak Energy will schon im Jahr 2025 in einem Experiment Strom aus Kernfusion gewinnen und 2030 Strom ans Stromnetz liefern. Aussicht auf Erfolg gibt es kaum. Trotzdem ermöglichen die Pläne des britischen Unternehmens einen Einblick in die Schwierigkeiten bei der Entwicklung von praktisch nutzbaren Kernfusionsreaktoren.

Tony Donne, Programmdirektor von Eurofusion, einem Zusammenschluss der staatlichen Kernfusionsforschung in Europa, hat in den letzten 30 Jahren viele solche Versprechen gehört. Trotzdem sagt er: "Ich denke, es ist wirklich gut, dass es solche Firmen gibt. Durch sie bleiben wir am Ball." Wie der Name des Unternehmens schon andeutet, will es Kernfusion mit relativ herkömmlicher Technik betreiben, einem sphärischen Tokamak.

Kugelförmige, kompakte Reaktoren

Während der Reaktor in einem normalen Tokamak die Form eines Donuts hat, ist ein sphärischer Tokamak fast kugelförmig und hat nur noch eine zylindrischen Säule in der Mitte. Es ist die kompakteste mögliche Form eines Tokamaks, die auch erfolgreich in der Forschung erprobt wurde. Sphärische Tokamaks können mit der gleichen Magnetfeldstärke einen deutlich höheren Plasmadruck erreichen als herkömmliche Tokamaks.

Tokamak Energy will daraus den kleinstmöglichen Fusionsreaktor bauen und hofft, damit die Entwicklungskosten klein und die Entwicklungszeit kurz zu halten. Die Entwickler wollen den neuen Hochtemperatursupraleiter benutzen, um möglichst starke Magnetfelder zu erreichen und im Plasma eine H-Mode zu erzeugen, einen Plasmazustand, der besonders wenig Wärme leitet. Dadurch soll das Plasma weniger Energie verlieren.

Nach einem physikalischen Modell des Reaktors soll es möglich sein, einen Fusionsreaktor mit einer Leistung von 185 MW und einem Radius von 1,35 Metern zu bauen. Im Vergleich dazu hat der Kernfusionsreaktor Iter des gleichnamigen europäischen Forschungsprojekts bei einer Leistung von 500 MW einen Torus mit einem Radius von 6 Metern. Der Torusring selbst hat einen Radius von 2 Metern. Trotzdem hält Tony Donne das Modell für physikalisch weitgehend plausibel, auch wenn Tokamak Energy von einigen sehr optimistischen Annahmen ausgeht. Das Problem ist die Größe des Reaktors.

Die Wände werden zu heiß

"Es ist weniger das Magnetfeld des Reaktors, das dessen Größe bestimmt, als vielmehr die Wärmebelastung der Reaktorwände", erklärt Donne. Die Energie, die in einem Fusionsreaktor freigesetzt wird, muss von den Reaktorwänden aufgenommen und abgeleitet werden. Die Wände von Iter werden mit etwa 10 Megawatt pro Quadratmeter belastet.

Ein so kleiner Reaktor, wie ihn Tokamak Energy bauen will, hätte eine viel größere Belastung auszuhalten. Denn die Oberfläche des Reaktors schrumpft im Verhältnis viel stärker als die Leistung. Bisher hat das Unternehmen keine Lösung für diese Probleme demonstriert. "Es kann durchaus sein, dass sie eine Kombination von Parametern gefunden haben, die funktioniert. Aber wir haben diesen Ansatz verworfen", sagt Donne dazu.

Bisher hat Tokamak Energy zwei ST25 Tokamaks mit einem Plasmaradius von 25 Zentimetern gebaut, darunter auch einen mit Hochtemperatursupraleitern. Der Bau des größeren ST40 ist geplant, auch wenn dort einfache Kupferspulen zum Einsatz kommen sollen. Das erlaubt zwar keine langen Laufzeiten, ist aber billiger und soll ausreichen, um die physikalischen Modelle weiter zu überprüfen. Denn zur Plasmaheizung soll ein experimentelles Verfahren zum Einsatz kommen. Zwei Plasmaringe werden erzeugt und durch Kompression miteinander verschmolzen.

Optimistische Extrapolationen funktionieren selten

Im britischen Mast-Reaktor konnten durch das Verfahren schon Temperaturen von etwa 10 Millionen Kelvin erreicht werden, allerdings werden 100 Millionen Kelvin benötigt. Außerdem lief der Versuch mit einem relativ schwachen Magnetfeld ab. "Das Verfahren wurde bei Feldstärken von 0,1 Tesla durchgeführt. Niemand weiß, ob es auch noch bei 10 Tesla funktioniert. Bei einem Faktor 100 ist Extrapolation nicht sehr zuverlässig", sagt Donne. "Ich arbeite seit 30 Jahren in dem Feld und habe viele solche Extrapolationen gesehen, die am Ende nicht funktioniert haben."

So starke Magnete zu bauen, ist problematisch. Denn die Felder von Hochtemperatursupraleitern können zwar sehr große Stärken erreichen, die Magnete würden dabei aber vom eigenen Magnetfeld auseinandergerissen werden. Sie müssen durch andere Materialien verstärkt werden. Die Kräfte sind aber so groß, dass sie selbst Stahl nicht mehr aushält. Das ist kein unlösbares Problem, aber die Lösung muss gefunden und implementiert werden.

Derzeit ist Tokamak Energy aber viel zu klein und viel zu schlecht finanziert, um solche Lösungen finden und umsetzen zu können. Manche Mitarbeiter von Eurofusion bezeichnen die Pläne von Tokamak Energy deshalb auch als angewandte Science-Fiction.

Auch Eurofusion forscht an der Verwendung von Hochtemperatursupraleitern. Aber das Ziel der staatlichen Forschungsinstitute ist es weniger, noch stärkere Magnetfelder aufzubauen, als vielmehr die Kühlung der Magnetspulen zu vereinfachen. Trotzdem kann sich auch Tony Donne nicht ganz dem Charme der Ambitionen von Tokamak Energy verschließen und sagt: "Es ist interessant, dass sie sich andere Aspekte anschauen. Aber ich glaube, dass sie wirklich zu viel versprechen."

Denn es gibt auch noch das Problem des Rohstoffs für die Kernfusion. In dem Reaktor soll Tritium mit Deuterium verschmolzen werden. Tritium ist ein radioaktiver Stoff, der zunächst aus Lithium erzeugt werden muss. Das ist durchaus möglich, ein Fusionsreaktor liefert bei der Kernfusion genug Neutronen für diesen Zweck.

Aber das Tritium muss in dicken Brutmänteln erzeugt werden, die in keinem der Entwürfe von Tokamak Energy zu sehen sind. Ein Fusionsreaktor kann zwar ohne diese Brutmäntel funktionieren, aber ihm würde bald der Rohstoff für die Kernfusion ausgehen.

Tokamak Energy hat keine Lizenz zur Verwendung von Tritium

Von allen anderen Problemen abgesehen, ist das Tritium allein schon Grund genug, um die Zeitpläne von Tokamak Energy anzuzweifeln. "Mit allen Regularien und Zertifizierungen könnte so ein Reaktor in dieser Zeit gar nicht getestet werden", sagt Donne. Tritium ist radioaktiv. Um in acht Jahren Energie in einem Fusionsreaktor zu erzeugen, bräuchte das Unternehmen die Lizenz zum Umgang mit radioaktiven Materialien.

Dazu kommen die Komponenten, die im Inneren des Reaktors während des Betriebs radioaktiv werden, wenn sie den Neutronen aus der Kernfusion ausgesetzt werden. Die dabei anfallenden Mengen und Halbwertszeiten sind zwar deutlich kürzer als bei Brennstäben in herkömmlichen Kernreaktoren, aber eine Lizenz ist dennoch nötig. Das Unternehmen hat weder eine solche Lizenz noch die Expertise, um sie erfolgreich zu beantragen.

Zurzeit hat nur ein Projekt einen Fusionsreaktor, die nötige Ausstattung und die Lizenz, Kernfusion mit Deuterium und Tritium zu betreiben. Das ist der Joint European Torus (Jet), der ebenso in England steht. Durch den Brexit ist dessen Zukunft jetzt aber unklar. Finanziert ist Jet nur bis 2018, wenn eine neue Fusionskampagne mit Deuterium und Tritium geplant ist. Aber die Pläne für diese Forschungsarbeiten gehen bis 2020.

Wie sich immer wieder gezeigt hat, ist die Unsicherheit in den Zeitplänen kein Problem, das nur die private Forschung in der Kernfusion hat.  (fwp)


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