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1 Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung 2007/2008 Ferdinand Scheubeck

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Vergleich zwischen Kernfusion

und Kernspaltung

2007/2008

Ferdinand

Scheubeck

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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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Seite 4

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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Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung

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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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Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung

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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

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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.

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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

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Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung

Seite 25

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.

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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.

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Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung

Seite 27

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

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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)

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Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung

Seite 29

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

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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

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Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung

Seite 31

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?

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Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung

Seite 32

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.

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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.

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Vergleich zwischen Kernfusion und Kernspaltung

Seite 34

Quellenangabe

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7. Microsoft Encarta

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9. http://www.ipp.mpg.de/ippcms/ep/ausgaben/ep200701/0107_kohlendioxid

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10. Microsoft Encarta

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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

1. www.zdf.de mediathek

2. www.ipp.mpg.de/ippcms/de/for/projekte/asdex/techdata.html

3. www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/forschung/iter/stand/index.html

Paraktischer Teil war der Ausflug nach Garching den ich organisit habe.