Kernspaltung und Kernfusion

Kern-/Teilchenphysik

Kernspaltung und Kernfusion

  • Welche Bedeutung hat die EINSTEIN-Formel in der Kernphysik?
  • Wie viel Energie kann man bei der Kernspaltung …
  • … und wie viel bei der Kernfusion gewinnen?
  • Warum gibt es noch keine Fusionsreaktoren?

Druckwasserreaktor

Zwischen einem konventionellen Kohlekraftwerk und einem Kernkraftwerk besteht im konventionellen Teil (Turbine, Kondensator, Generator, Kühlturm) kein wesentlicher Unterschied. Die Erzeugung des Dampfes geschieht jedoch auf sehr unterschiedliche Weise und mit sehr unterschiedlichen Konsequenzen für die Umwelt. Im Folgenden soll die Dampferzeugung am Schema eines Druckwasserreaktors besprochen werden.

Klicke auf die einzelnen Komponenten der Anlage, um zu näheren Erklärungen zu kommen.


Animation zum Druckwasserreaktor:

Fusionsreaktor

  • Kern des Reaktors ist das Plasma, welches durch magnetischen Einschluss oder Trägheitseinschluss erzeugt wird. Dieses Plasma wird aus den Vorratsbehältern für Tritium und Deuterium gespeist.

\[{}_1^2{\rm{D}} + {}_1^3{\rm{T}} \to {}_2^4{\rm{He}} + {}_0^1{\rm{n}}\]

  • Das Abfallprodukt der Fusion 4He (auch nicht "verbranntes" D und T) wird von Zeit zu Zeit aus dem Reaktionsgefäß entsorgt.
  • Die bei der Fusion entstandenen, energiereichen Neutronen entweichen aus dem Plasmagefäß und gelangen in dessen Umhüllung (Blanket), welches aus Lithium besteht. In diesem Blanket wird das in der Natur wenig häufige Tritium erbrütet:

\[{}_0^1{\rm{n}} + {}_3^6{\rm{Li}} \to {}_2^4{\rm{He}} + {}_1^3{\rm{T}}\]

  • Aus dem Blanket muss auch noch die bei den Fusionsprozessen entstandene Energie abgeführt werden. Dazu führt man in das Blanket einen Wärmetauscher, der als Kühlmittel evtl. Helium enthalten soll.

Als man in den 60er Jahren des vorigen Jahrhunderts intensiv mit der Fusionsforschung begann, war man sehr optimistisch bald einen wesentlichen Beitrag für den Energiebedarf der Menschheit leisten zu können. Im Gegensatz zur Energiegewinnung durch Kernspaltung gibt es aber bis heute noch keinen wirtschaftlich arbeitenden Fusionsreaktor (bei ITER sollen Experimente frühestens 2015 möglich sein).

Dabei hätte die Energiegewinnung durch Fusion erhebliche Vorteile gegenüber der Kernspaltung:

  • Die zur Fusion notwendigen Rohstoffe sind in fast unerschöpflichem Maße vorhanden.
  • Bei der Fusion entstehen entstehen im Gegensatz zur Kernspaltung keine extrem langlebigen radioaktiven Folgeprodukte.
  • Die Sicherheit eines Fusionsreaktors lässt sich leichter gewährleisten als die eines Spaltreaktors (z.B. bei Ausfall des gesamten Kühlsystems), da sich im Fusionsrektor immer nur sehr kleine Mengen fusionsfähigen Materials befinden und jede Unregelmäßigkeit sofort zum Stillstand der Fusion führen würde.

Neben der entscheidenden Tatsache, dass die Fusionsanlagen großtechnisch noch nicht laufen, gibt es aber auch bei Fusionsreaktoren nicht zu vernachlässigende Probleme:

  • Das auftretende Tritium ist radioaktiv. Es hat zwar nur eine Halbwertszeit von 12,3 Jahren, ist aber - wie Wasserstoff - sehr leicht flüchtig.
  • Durch die intensive Neutronenbestrahlung unterliegen die Reaktormaterialien einer extremen Belastung (Gefahr der Versprödung). Neben diesen Materialproblemen muss auch noch die Aktivierung des Reaktormaterials durch die Neutronen beachtet werden. Die Aktivierung führt zu radioaktiven Folgeprodukten, deren Halbwertszeit jedoch nicht so hoch ist wie die von den herkömmlichen Spaltreaktoren.

zum SZ-Artikel über Iter

Interessierte finden im Internet, insbesondere bei YouTube, unter dem Suchbegriff "Kernfusion" sehr informative Beiträge zur Kernfusion.

Auch die Deutsche Physikalische Gesellschaft bietet auf der Seite "Welt der Physik" einen sehr ausführlichen Überblick über den Stand der Plasmaphysik.

Kernenergie in der BRD

Das weltweit erste kommerziell genutzte Kernkraftwerk war 1956 Calder Hall in England. Zehn Jahre später ging in Gundremmingen das erste Kernkraftwerk der BRD (237MW) ans Netz. Danach erfolgte ein schneller Ausbau der Kapazitäten.
War bei Kohlekraftwerken für die Standortentscheidung die Entfernung vom Kohlerevier ein wichtiges Kriterium, so spielt bei den Kernkraftwerken dies keine Rolle mehr, da Deutschland kaum Uranvorkommen besitzt. Aus der folgenden Abbildung erkennt man, dass das Transportproblem für den Kernbrennstoff, im Vergleich zu fossilen Brennstoffen kein gravierendes Problem ist.

Standorte

Im Jahre 2001 waren in der BRD 19 Kernkraftwerke in Betrieb, die zusammen eine elektrische Leistung von ca. 21300MW lieferten. Die Kernenergie nimmt bei den Primärenergieträgern in der BRD einen Anteil von etwa 13% ein.

Durch Beschluss der Bundesregierung (1999) steigt die BRD aus der Kernenergienutzung sukzessive aus. Damit geht natürlich die "Technologieführerschaft" auf diesem Gebiet weitgehend verloren.


rote Punkte: Kernkraftwerk in Betrieb
blaue Punkte: Kernkraftwerk stillgelegt

Blick über den Zaun

Das nebenstehende Diagramm zeigt den Anteil der Kernenergie an der Stromerzeugung im Jahre 2000 auch in anderen Ländern.

Heizverfahren für Plasmen

Um die notwendigen hohen Temperaturen des Plasmas zu erreichen, muss man ihm Energie zuführen.

  • Ohmsche Heizung
    Die schon am längsten praktizierte Art der Heizung ist die sogenannte Ohmsche Heizung, bei der mittels eines Transformators (Tokamak) im Plasma ein Strom induziert wird. Mit zunehemender Plasmatemperatur sinkt jedoch der Widerstand des Plasmas und damit die Effizienz dieser Heizungsmöglichkeit. Für den Stellerator scheidet diese Heizungsart aus.
  • Neutralteilchen Injektion
    Ein zweites Verfahren ist der Einschuss hochenergetischer Teilchen (z.B. Deuteriumkerne). Diese gewinnt man, indem man geladene Teilchen in elektrischen Feldern beschleunigt. Da jedoch geladene Teilchen die "magnetischen Wände" des Plasmas nicht durchdringen können, muss man die hochenergetischen, geladenen Teilchen zunächst neutralisieren. Dazu lässt man die geladenen Teilchen ein neutrales Gas durchfliegen, von dem sie Elektronen aufnehmen. Nach dem Passieren einer Ablenkeinheit, die trotzdem noch geladene Teilchen aussortiert, gelangt der hochenergetischen Neutralteilchenstrom in das Vakuumgefäß und gibt dort seine Energie durch Stöße an das Plasma ab.

  • Hochfrequenz-Heizung
    Diese Heizungsart funktioniert so ähnlich wie ein Mikrowellenherd. In einer Sendeanlage werden hochfrequente Radiowellen erzeugt, die über Koaxialkabel zu einer Antenne geführt werden. Diese strahlt die Energie an das Plasma ab. Besonders effizient ist die Aufheizung dann, wenn die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung gleich der Frequenz ist, mit der die geladenen Teilchen (Kerne bzw. Elektronen) um die Magnetfeldlinien rotieren.

Schätze den Frequenzbereich ab, den die eingestrahlten elektromagnetischen Wellen für die Aufheizung des Elektronen- bzw. Ionengases haben sollten.

Kernkraftwerke - Brennstoffkreislauf

Sehr vereinfachte Darstellung des nuklearen Brennstoffkreislaufs

Wenn du mehr erfahren willst, so klicke mit der Maus über einzelne Bilder.

Probleme der Kernenergienutzung

Größter anzunehmender Unfall (GAU)

Ein Kernreaktor kann auf keinen Fall wie eine Uranbombe explodieren. Trotzdem sind technische Störungen nie ganz auszuschließen. Als kritischste Störung gilt ein Rohrbruch im Primärkreislauf, da dann die Kühlung des Reaktors ausfällt. Die Überhitzung der Brennelemente kann dazu führen, dass eine große Menge radioaktives Material freigesetzt wird.

Die Sicherheitsvorkehrungen bei den Reaktoren in Mitteleuropa sind zwar extrem aufwändig, aber dort wo menschliche Unzulänglichkeit im Spiel ist, besteht immer noch ein gewisses Restrisiko. Der Reaktorunfall von Tschernobyl im Jahre 1986 zeigte uns, dass wir auch von weit entfernten Standorten gefährdet sein können.


"radioaktive" Luftströmungen über Europa als folge des Reaktorunfalls von Tschernobyl

Wiederaufarbeitung und Endlagerung

  • Der Wiederaufarbeitungsprozess ist technisch schwierig. Hierbei entstehen auch gasförmige radioaktive Produkte. Es muss ein sehr hoher Aufwand getrieben werden, dass diese nicht in die Umwelt gelangen. Nicht wiederverwertbares radioaktives Material muss endgelagert werden. Die Aktivität der langlebigsten Endprodukte klingt erst nach vielen Tausend Jahren signifikant ab. Es stellt sich die Frage, ob wir den nachfolgenden Generationen diese Hypothek aufbürden dürfen.
  • Es sei auch noch erwähnt, dass bei der Wiederaufarbeitung waffenfähiges Plutonium entsteht, das u.U. nicht mehr der friedlichen Nutzung der Kernenergie zugeführt wird.
  • Die Betriebsdauer von Kernreaktoren ist nicht unbegrenzt. Auch die Entsorgung von Kernkraftwerken ist nicht unproblematisch, da viele Teile durch den ständigen Neutronenbeschuss radioaktiv geworden sind.

Die Befürworter der Kernenergie können ins Feld führen, dass der aus Kernenergie gewonnene Strom relativ billig ist und das Kohlendioxid-Problem (welches bei fossil betriebenen Kraftwerken auftritt) kein Thema ist.

Reaktorkatastrophe von Tschernobyl

Todeswolke über Tschernobyl

 

Auf den obenstehenden Seiten werden wiederholt Einheiten verwendet, welche die "Stärke" der radioaktiven Strahlung beschreiben. Näheres findest Du auf der Seite zu den Dosiseinheiten.

Links zum Thema

Weitere Informationen finden sich in einem Artikel des Bundesumweltministeriums "Tschernobyl und die Folgen" [pdf].

Kernfusion - Lawson-Kriterium

Damit ein Fusionsreaktor wirtschaftlich arbeiten kann, muss die durch Fusion gewonnene Energie größer sein als die für die Plasmaheizung aufzuwendende Energie.
Ohne große Rechnung kann man einsehen, dass die Fusionsenergie mit folgenden Parametern anwachsen wird:

  • Mit der Einschlusszeit τ des Plasmas (je länger die Kerne auf hoher Temperatur zusammenhalten werden, desto höher ist die Fusionswahrscheinlichkeit).
  • Mit der Teilchendichte n des Plasmas (mit wachsender Teilchenzahl pro Volumeneinheit wächst die Stoßwahrscheinlichkeit).
  • Mit der Temperatur T des Plasmas (die Temperatur des Plasmas sollte so gewählt werden, dass man in der Nähe des Maximums des Wirkungsquerschnitts liegt. Bei eine D-T-Plasma wären dies etwa 108 K).

Von Lawson stammt die folgende Abschätzung (Lawson Kriterium): \[n \cdot \tau \cdot T > 6 \cdot 10^{28} \frac{s \cdot K}{m^3}\]

Die Größe n·τ·T wird als Fusionsprodukt bezeichnet. Die folgende Abbildung zeigt, welches Fusionsprodukt die verschiedenen, bisher entwickelten Anordnungen zu verschiedenen Zeiten erreichen konnten.

Für ein D-T-Plasma von 2·108 K könnte das Lawson-Kriterium z. B. durch folgende n - τ - Kombinationen erfüllt werden:

Methode
n in m-3
τ in s
Magnetischer Einschluss
1020
3
Trägheitseinschluss
1030
3·10-10

Energie von der Sonne

Fusion bei der Proton-Proton-Kette

Ohne die Sonne wäre auf der Erde kein Leben möglich. Die Sonne strahlt pro Sekunde eine Energie von 3,82·1026J ab, d.h. ihre Strahlungsleistung ist L = 3,82·1026W. Ein Teil dieser Energie gelangt auch auf die Erde und gibt uns Licht und Wärme.


Die Menschheit rätselte lange, welche Vorgänge auf der Sonne dazu führen, dass diese soviel Energie abstrahlen kann. Erst zu Beginn des vorigen Jahrhunderts war man mit Hilfe der einsteinschen Formel ΔE = Δm·c2 auf der richtigen Spur und vermutete, dass die Energieabstrahlung auf Kernreaktionen in der Sonne zurückzuführen ist. Ein wesentlicher Prozess ist dabei die p-p-Kette, welche die Verschmelzung (Fusion) von Wasserstoff zu Helium beschreibt.

 

Massenverlust der Sonne
Nach der einsteinschen Formel ΔE = Δm·c2 verliert die Sonne pro Sekunde die folgende Masse:
\[\Delta E = \Delta m \cdot {c^2} \Leftrightarrow \Delta m = \frac{{\Delta E}}{{{c^2}}} \Rightarrow \Delta m = \frac{{3,82 \cdot {{10}^{26}}}}{{{{\left( {3,0 \cdot {{10}^8}} \right)}^2}}}\frac{{\rm{J}}}{{{\textstyle{{{{\rm{m}}^{\rm{2}}}} \over {{{\rm{s}}^{\rm{2}}}}}}}} \approx 4,2 \cdot {10^9}{\rm{kg}}\]

Nach dem oben Gesagten stammt diese Energie aus Kernreaktionen. Dabei stellt die Umwandlung von Wasserstoff zu Helium nach der p-p-Kette bei unserer Sonne den wesentlichen Mechanismus dar.

Prinzip der Proton-Proton-Kette:
Aus vier Wasserstoffatomen (die allerdings bereits in vier Protonen und vier Elektronen zerlegt sind) bilden sich durch Fusion ein Heliumatom (zerlegt in den Heliumkern und zwei Elektronen).
Aus dem Unterschied der Massen (Massendefekt) kann man mittels der Formel ΔE = Δm·c2 die zu erwartende Energie pro Elementarreaktion, nämlich 26,7 MeV, leicht errechnen.

Bei der p-p-Kette laufen drei Fusionen hinter- bzw. nebeneinander ab.

1. Die Fusion zweier Protonen zu Deuterium, die nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit eintritt und deshalb trotz der vielen möglichen Fusionspartner selten ist.
2. Die Fusion von Deuterium und Proton zu Helium 3, die wahrscheinlicher als die erste Reaktion ist und auch mehr Energie abwirft.
3. Die Kernreaktion zweier Helium-3-Kerne zu Helium 4 und 2 Protonen, die noch wahrscheinlicher als die zweite Reaktion geschieht und die meiste Energie abwirft.

Hinweis:
Bei den gezeigten Reaktionen taucht als Reaktionsprodukt auch ein sogenanntes Positron auf. Dieses Teilchen hat die gleiche Masse und den gleichen Ladungsbetrag wie das Elektron. Jedoch trägt es im Gegensatz zum Elektron eine positive Ladung. Man sagt auch, dass das Positron das Antiteilchen zum Elektron ist.
Kommen Teilchen und Antiteilchen miteinander in Kontakt, so kommt es zur Paarvernichtung, d.h. Elektron und Positron verschwinden und es tritt Gammastrahlung mit entsprechender Energie auf.

Hier nochmals zusammengefasst die gesamte pp-Kette:

Von den insgesamt 26,7 MeV einer Elementarreaktion nehmen die zwei Neutrinos im Mittel 0,5 MeV direkt mit. Neutrinos zeigen praktisch keinerlei Wechselwirkung mit anderer Materie. Diese Energie trägt also nicht zur Leuchtkraft der Sonne bei.

 


Plasmaeinschluss durch Magnetfelder

Bei der überwiegenden Zahl der heute unternommenen Experimente versucht man den zu fusionierenden leichten Kernen eine sehr hohe thermische Energie zu geben, so dass sie die abstoßenden elektrostatischen Kräfte überwinden können. Für einen D-D-Reaktor wäre hierfür eine Temperatur von etwa 1 Milliarde Kelvin notwendig, während für einen D-T-Reaktor 300 Millionen Kelvin ausreichen würden.
Ein solch heißes Plasma kann nicht einfach in einem Behälter aufbewahrt werden, da es sich an den Wänden sofort abkühlen und auch die Wände u.U. zerstören würde. Die von den Wänden abgelösten Atomkerne hätten eine viel zu hohe Ordnungszahl und wären damit für Fusionsreaktionen unbrauchbar.

Um das Plasma von den Wänden des hochevakuierten Behälters fern zu halten, verwendet man sehr starke Magnetfelder. Aufgrund der Lorentzkraft bewegen sich geladene Teilchen auf Schraubenlinien um die Feldlinien. Dabei ist der Radius der Schraubenlinie umso kleiner, je stärker das Magnetfeld ist.
In den ersten Experimenten zur Plasmaphysik verwandte man zylindrische Gefäße, an deren Ende das Magnetfeld so konfiguriert war, dass die Teilchen an der Stirnfläche nicht entweichen sollten. Mit diesen Anordnungen (ca. 1965) gelangen auf der Erde erste Fusionsreaktionen, jedoch konnte man die Plasmen nur über Zeitdauern von Millionstel Sekunden stabil halten.

 

Deutliche Verbesserungen konnten erzielt werden, als man ringförmige (sogenannte toroidiale) Magnetfelder einführte.


Allerdings ist ein rein toroidales Magnetfeld ist nicht homogen, sondern nimmt in seiner Stärke nach außen hin ab. Als Folge davon würden die Teilchen des Plasmas zur Gefäßwand abdriften. Um dies zu verhindern überlagert man dem toriodalen Magnetfeld ein poloidales Magnetfeld, was insgesamt dann zu einer "Verdrillung" der Feldlinien führt (schraubenartiger Verlauf).

Man unterscheidet beim magnetischen Einschluss zwei große Entwicklungslinien:

Wenn du an Details interessiert bist, so gehe bitte zur Tokamak- bzw. Stellerator-Seite.

Hinweise:

Plasmaeinschluss über die Trägheit

Eine magnetfeldfreie Art Kernfusion zu erreichen ist der sogenannte Trägheitseinschluss. Hierbei wird ein gefrorenes Deuterium-Tritium-Kügelchen, das meist von einer gefrorenen Deuteriumhülle umgeben ist, von möglichst vielen Seiten mit hochenergetischen Lasern oder Teilchenstrahlen (aus Ionenbeschleunigern) beschossen. Die Oberfläche des Kügelchen verdampft explosionsartig und es entsteht eine sehr energiereiche, nach innen gerichtete Druckwelle, welche sich aus dem Rückstoß von der schnell nach außen verdampfenden Hülle ergibt.

Das Innere des Kügelchens wird extrem komprimiert (Implosion), wodurch die Temperatur auf ca. 120 Millionen Kelvin ansteigen kann und für kurze Zeit das Lawson-Kriterium erfüllt ist. Es kommt zu einer kleinen nuklearen Explosion. Der Ablauf des Vorgangs wird schematisch in 4 Phasen dargestellt:


Laser- oder Teilchenbestrahlung bewirken, dass sich sehr rasch eine Plasmahülle um den Tropfen bildet, die sich explosionsartig ausdehnt.

Nach dem Rückstoßprinzip entsteht eine Druckwelle, die das Innere des Tröpfchens stark verdichtet.

Dichte und Temperatur im Tropfenkern haben so stark zugenommen, dass es dort zur Zündung des Plasmas kommt.

Das Plasmabrennen erfasst den gesamten Tropfen. Die freiwerdende Fusionsenergie ist ein Vielfaches der eingestrahlten Energie.


Reaktionskammer (Außenansicht) für die Laser-Fusion in Livermore (USA). Die grünen Zuführungen sind die Hochleistungslaser.


Blick in das Innere der Reaktionskammer von Livermore
Mit den Lasersystemen erreicht man bereits Leistungen von 1015 W über die Dauer von einigen Nanosekunden.

In dem nebenstehenden Bild ist ein zukünftiger Laser-Fusionsreaktor skizziert:

  • Die D-T-Kügelchen fallen in die Reaktionskammer und werden von den Laserblitzen "abgeschossen".
  • Die bei den Fusionsreaktionen entstehenden Neutronen werden in dem die Reaktionskammer umgebenden Lithiummantel absorbiert und führen dort exotherme Reaktionen aus.
  • Das heiße flüssige Lithium gibt in einem Wärmetauscher seine innere Energie an das Kühlwasser ab und wandelt es zu heißem Dampf, welcher z.B. eine Turbine betreiben kann.

Da der Laserwirkungsgrad recht klein ist (man braucht sehr viel Energie zum Anregen des Lasers im Vergleich zur erzeugten Lichtleistung), experimentiert man beim Trägheitseinschluss auch mit dem Beschuss durch leichte und schwere Ionen aus Beschleunigern.

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