Abwehr der Sonnenhitze

Forschung Die limitierte Leistungsfähigkeit existierender Materialien lässt moderne Kraftwerkskonzepte an ihre Grenzen stoßen. Das europäische Projekt ›ExtreMat‹ unter Leitung des Instituts für Plasmaphysik erweitert sie und entwickelt unter anderem Materialien für ein Fusionskraftwerk.

24. April 2008

Mit einem Gramm Brennstoff 90.000 kWh Energie freisetzen, so viel wie die Verbrennungswärme von 11 t Kohle – eine gigantische Vision der Energiegewinnung, die das Sonnenfeuer erzeugen könnte. Fusionsforscher der globalen Kooperation, die im letzten Jahr ihre Arbeit zum Bau des Experimentalfusionsreaktors ITER im südfranzösischen Cadarache aufnahmen, haben es sich zur Aufgabe gemacht, die hier zugrundeliegende Reaktion – die Verschmelzung von Atomkernen – auf der Erde abzubilden.

»Unter irdischen Bedingungen gelingt dies am einfachsten mit den Wasserstoffsorten Deuterium und Tritium. Pro Reaktion wird eine Energie von 17,6 Megaelektronenvolt frei«, so Dr. Christian Linsmeier. Er ist am Garchinger Institut für Plasmaphysik (IPP) Koordinator des europäischen Projektes ›ExtreMat‹, das unter anderem auch Materialien für ein späteres Fusionskraftwerk entwickelt. Der nächste große Schritt hin zu diesem Ziel ist der internationale Testreaktor ITER, in dem wesentliche, für ein zukünftiges Kraftwerk erforderliche Technologien integriert sein sollen. Dazu gehört auch die Erzeugung von Tritium durch die Reaktion von Lithium und Deuterium im Reaktor selbst. »Tritium ist radioaktiv, der Betrieb einer Fusionsanlage damit recht aufwendig«, so Linsmeier auf einer kürzlichen Präsentation des von der EU geförderten Projektes ›ExtreMat‹ (New Materials for Extrem Environments) im IPP. »Daher experimentieren wir in der Fusionsforschung heute noch überwiegend mit den nicht aktiven Wasserstoffisotopen Deuterium und Protium, welche die Untersuchung aller relevanten physikalischen Eigenschaften auch erlauben.« Auch in der Forschungsanlage ›ASDEX Upgrade‹ des IPP, die nach dem Tokamak-Prinzip arbeitet, beschränkt man sich noch auf solche Modellplasmen. Hier wird in der toroidal geformten Kammer (siehe die ›Reifenform‹ im Bild rechts) das heiße Wasserstoff-Plasma in einer sekundenlangen Entladung (Temperatur bei 100 Mio. °C) durch das Magnetfeld in Form gehalten, ohne dass das extrem dünne ionisierte Plasmagas die Reaktorwände berührt. »Das verhindert, dass das Plasma sich abkühlt«, so Linsmeier.

Energiegeladene Heliumkerne

Ziel der Fusionsforscher bei ITER ist jedoch die Fusion von Deuterium und Tritium: Beim Verschmelzen der Wasserstoffisotope entstehen Helium, Neutronen sowie große Energiemengen. Ab einer bestimmten Temperatur und Teilchendichte kommt es zu einer thermonuklear – wie ein Feuer – ablaufenden Kernfusion: »Die schnellen Heliumkerne sind als geladene Teilchen im Magnetfeld gefangen und geben ihre Energie über Stöße an das Plasma ab. Die äußere Heizung kann in diesem Stadium abgeschaltet werden«, so Linsmeier. Das Plasma brennt jetzt selbstständig weiter und hält die hohe Fusionstemperatur per Selbstheizung aufrecht. Die elektrisch neutralen Neutronen prallen auf die Gefäßwand. Sie bremst die schnellen Teilchen ab und leitet ihre gesamte Energie in Form von Wärme weiter. »Mit Blick auf den ITER-Betrieb arbeiten wir in Garching an der Verlängerung der Pulsdauer und einer verbesserten Wärmeisolation«, so der Projektleiter. Um in einem Tokamak die nötige Verdrillung der Magnetfeldlinien zu erreichen, wird im Plasma nämlich durch einen großen Transformator elektrischer Strom induziert. Da man nicht permanent den Stromfluss in den Transformatorspulen steigern kann, muss dieser von Zeit zu Zeit abgeschaltet werden. Der Plasmaeinschluss geht somit verloren, die Kernfusion kommt zum Erliegen. Ein Dauerbetrieb ist so nicht möglich. Also sucht man an ASDEX Upgrade nach alternativen Wegen, den Plasmastrom zu treiben, wie etwa durch eingestrahlte Hochfrequenzwellen. »In unserem Teilinstitut in Greifswald bauen unsere Mitarbeiter gerade die Anlage ›Wendelstein 7-X‹ auf, die dieses Manko auf andere Weise ausbügelt «, fügt Linsmeier an. Dieser Anlagentypus ist im Gegensatz zum Tokamak ein Stellarator und kann von vornherein im Dauerbetrieb arbeiten. Die Magnetspulen sind hier komplexer geformt und sollen den ›Käfig‹ für das Plasma besonders stabil und wärmeisolierend machen. »Die Anlage soll die Kraftwerkstauglichkeit des Stellarators demonstrieren. Ein energielieferndes Plasma wird jedoch auch hier nicht angestrebt«, so Linsmeier. Letzteres übernimmt der nach dem Tokamak-Prinzip geplante ITER in Südfrankreich. Dieser soll zeigen, dass – anders als bei seinen Vorläufern – ein energielieferndes Fusionsfeuer möglich ist: 500 MW Leistung, acht Minuten Brenndauer und zehnfache Leistungsverstärkung sind seine Kenndaten.

Kommerzielle Nutzung 2050

Angesichts der Planungs-, Bau- und Betriebszeit für ITER rechnet Linsmeier mit der ersten Netzeinspeisung von Fusionsstrom ab 2050. Dieser vorangehen soll die Demonstrationsanlage DEMO, welche alle Kraftwerksfunktionen erfüllen wird. »Mit etwa 1.500 MW könnten Fusionskraftwerke vor allem die Grundlast bedienen und ließen sich wie heutige Großkraftwerke in das Verbundsystem der Stromversorgung einbinden«, so der Chemiker. »In einer stark von regenerativen Energien geprägten Stromwirtschaft könnten sie als Puffer für die witterungsabhängigen Wind- und Sonnenkraftwerke dienen.« Bis es jedoch so weit ist, befasst sich ›ExtreMat‹ mit der technologischen Herausforderung, die die großen erodierenden Kräfte dem Plasmagefäß auferlegen: der Materialforschung. »Voranzutreiben ist die Entwicklung neutronenbeständiger Baumaterialien mit geringem Aktivierungspotenzial sowie von hitze- und erosionsbeständigen Materialien für das Plasmagefäß«, führt Linsmeier aus. Die Materialien für ITER unterscheiden sich von denen in einem zukünftigen Fusionskraftwerk. »Da der Testfusionsreaktor noch ein Experiment mit begrenzter Brenndauer ist, sind hier die Wandmaterialien Beryllium, Wolfram und kohlefaserverstärkter Kohlenstoff als Auskleidung für die plasmabelasteten Teile vorgesehen. Sie müssen stark reduzierte chemische Erosion bei Wechselwirkung mit dem Fusionsbrennstoff aufzeigen.« Für ein Fusionskraftwerk kommt dagegen aus heutiger Sicht nur Wolfram infrage, so der Fusionsexperte. Das IPP forscht an Werkstoffen, die Einsatztemperaturen von 1.000 °C und Wärmeflüsse von bis zu 20 MW pro m2 standhalten. »Dafür müssen Werkstoffe mit sehr unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, wie Wolfram, Spezialstahl und Kupferlegierungen, durch faserverstärkte Schichten verbunden werden.«

Obwohl in weiter Ferne, gibt sich Linsmeier bei der Realisierung dieser modernen Energieerzeugung optimistisch. Er baut auf die Rohstoffverknappung: »Die Brennstoffkosten sind bei der Fusion vernachlässigbar, da die Grundstoffe Deuterium und Lithium im Wasser unbegrenzt vorhanden sind.« Durch die Marktunabhängigkeit der Brennstoffe sei mit hoher Preisstabilität zu rechnen. Zudem setzt er auf den Klimaschutz: »Die Fusion als neue Technologie kann einen Platz im europäischen Energiemarkt bekommen, wenn der CO2-Ausstoß deutlich reduziert werden soll.« Kritiker des Projektes führen die radioaktiven Abfallprodukte an, die durch ein Fusionskraftwerk erzeugt werden. Linsmeier betont jedoch, dass dieser Fusionsabfall nicht mit dem Abfall eines konventionellen Kernspaltreaktors zu verwechseln ist. Die radioaktiven Wände des Plasmagefäßes werden nach dem Betriebsende des Kraftwerkes zwischengelagert. »Deren Aktivität nimmt in hundert Jahren auf ein Zehntausendstel des Anfangswertes ab. Nach ein- bis fünfhundert Jahren Abklingzeit ist der radiotoxische Inhalt bereits vergleichbar mit dem Gefährdungspotenzial der gesamten Kohleasche aus einem leistungsgleichen Kohlekraftwerk, die stets natürliche radioaktive Stoffe enthält.« (ds) www.iter.org, www.extremat.org www.ipp.mpg.de

Erschienen in Ausgabe: 05/2008