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Montag, 29.05.2017
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Studie: Kernfusion sicher und umweltfreundlich

Europäische Untersuchung bestätigt positive Beurteilung von Fusionskraftwerken

Nach heutigem Wissen sind katastrophale Unfälle in einem Fusionskraftwerk unmöglich und eine Endlagerung des Abfalls ist bei entsprechendem Recycling nicht nötig. Der Strompreis wird darüberhinaus dem anderer umweltfreundlicher Energietechniken entsprechen: Dies sind die wichtigsten Ergebnisse der neuen europäischen Kraftwerksstudie "European Fusion Power Plant Conceptual Study".
Blick in das ringförmige Plasma der Fusionsanlage

Blick in das ringförmige Plasma der Fusionsanlage

Darin wurde die technische Realisierbarkeit, zu erwartende Sicherheits- und Umwelteigenschaften sowie die Kosten eines künftigen Fusionskraftwerks untersucht.

Prototyp ITER


Ziel der Fusionsforschung ist es, die Energieproduktion der Sonne in einem Kraftwerk auf der Erde nachzuvollziehen und aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie zu gewinnen. Brennstoff ist ein dünnes ionisiertes Gas - ein "Plasma" - aus den beiden Wasserstoffsorten Deuterium und Tritium. Zum Zünden des Fusionsfeuers wird der Brennstoff in einem Magnetfeldkäfig eingeschlossen und aufgeheizt. Ab einer Temperatur von 100 Millionen Grad beginnt das Plasma zu "brennen": Die Wasserstoffkerne verschmelzen miteinander zu Helium, es werden Neutronen frei sowie große Mengen von Energie.

Dass ein solches Energie lieferndes Fusionsfeuer möglich ist, soll mit 500 Megawatt erzeugter Fusionsleistung die internationale Testanlage ITER (lat. "der Weg") zeigen. Geplant wurde ITER mit den heute verfügbaren Materialien und Technologien, die noch nicht vollständig für die Fusion optimiert sind. Dies ist Aufgabe eines parallelen Physik- und Technologieprogramms. Alle Arbeiten bereiten ein Demonstrationskraftwerk vor; kommerzielle Anlagen könnten damit ab der Jahrhundertmitte ans Netz gehen.


Vier Modelle für ein künftiges Kraftwerk


Ziel der "European Power Plant Conceptual Study" ist es auszuloten, welche ökonomischen und ökologischen Eigenschaften ein künftiges Kraftwerk erwarten lässt und welche Entwicklungsrichtungen am aussichtsreichsten sind. Auf der Grundlage neuester Forschungsergebnisse wurden daher vier verschiedene Entwürfe für ein Fusionskraftwerk untersucht: Alle vier Modelle besitzen eine elektrische Leistung von etwa 1.500 Megawatt und sind wie ITER vom Bautyp "Tokamak". Um ein breites Spektrum physikalischer und technischer Möglichkeiten zu beleuchten, liegen ihnen jedoch unterschiedlich weit in die Zukunft greifende Extrapolationen der heutigen Plasmaphysik und Technologie zugrunde.

ITER und ein bisschen mehr…


Verglichen mit ITER reichen Modell A und B am wenigsten in die Zukunft: Die Annahmen zum Plasmaverhalten - zum Beispiel zu seine Stabilität - sind nur etwa 30 Prozent besser als die sehr vorsichtig für ITER angesetzten Daten. Baumaterial ist, anders als bei ITER, ein niedrig-aktivierbarer Stahl, der zurzeit im Europäischen Fusionsprogramm untersucht wird. Die größten Unterschiede betreffen technische Komponenten des Kraftwerks, zum Beispiel das so genannte "Blanket": In dieser inneren Verkleidung des Plasmagefäßes werden die bei der Fusion entstehenden schnellen Neutronen abgebremst. Sie geben ihre gesamte Bewegungsenergie in Form von Wärme an ein Kühlmittel ab und erzeugen außerdem aus Lithium den Brennstoffbestandteil Tritium.

Für diese Aufgaben ist Modell A mit einem Flüssigmetall-Blanket ausgerüstet: Es nutzt ein flüssiges Lithium-Blei-Gemisch zur Tritiumerzeugung, die Fusionswärme wird mit Wasser aufgenommen und weitergeleitet. Dagegen besitzt Modell B ein Kugelbett-Blanket mit Kügelchen aus Lithiumkeramik und Beryllium. Das hier gewählte Kühlmittel Helium erlaubt höhere Temperaturen als Wasser - statt 300 bis zu 500 Grad Celsius - und damit höhere Wirkungsgrade für die anschließende Stromerzeugung. Beide Blanket-Varianten werden im Europäischen Fusionsprogramm entwickelt. Testversionen sollen in ITER untersucht werden.

Futuristische Modelle


Im Unterschied zu A und B gehen das weiter in die Zukunft greifende Modell C und das eher futuristische Modell D von deutlichen Fortschritten in der Plasmaphysik aus. Verbesserte Plasmazustände sind mit leistungsstärkeren Blanket-Konzepten kombiniert, die allerdings in Europa bereits entwickelt werden: Im "Dual Coolant-Blanket" von Modell C wird die erste Wand mit Helium gekühlt, der Hauptteil der erzeugten Wärme jedoch durch Umwälzung von Flüssigmetall zum Wärmetauscher transportiert. Einsätze aus Siliziumkarbid isolieren die Struktur vom strömenden Flüssigmetall.

Durch die höhere Kühlmitteltemperatur von rund 700 Grad kann die Fusionswärme effizienter in Strom umgewandelt werden. Noch fortschrittlicher nutzt Modell D ein sich selbst kühlendes Blanket: Flüssigmetall (bis 1100 Grad) dient sowohl zur Kühlung als auch zur Tritiumerzeugung; die Strukturen bestehen aus Siliziumkarbid.

Keine Katastrophen möglich


Die Sicherheitsüberlegungen gelten dem radioaktiven Tritium und den energiereichen Fusionsneutronen, welche die Wände des Plasmagefäßes aktivieren. Um die Folgen aller schweren Unfälle kennen zu lernen, wurden die beiden zeitnahen Modelle A und B genauer analysiert: Als Unfallauslöser wird der schlagartige und totale Ausfall der Kühlung angenommen; anschließend bleibt das Kraftwerk ohne jede Gegenmaßnahme sich selbst überlassen. Ergebnis: Die Störung der Betriebsbedingungen bringt über Plasmainstabilitäten den Brennvorgang sofort zum Erlöschen. Die Nachwärme in den Wänden reicht nicht aus, um Bauteile stark zu schwächen oder gar zu schmelzen. Das Kraftwerk enthält auch keine andere Energiequelle, die seine Sicherheitshülle zerstören könnte. Die Hülle bleibt also stets intakt.

Untersucht wurde nun, wie viel Tritium und aktiviertes Material durch den Temperaturanstieg mobilisiert und aus der Anlage entweichen könnte. Schließlich wurde - für ungünstigste Wetterbedingungen - die daraus resultierende radioaktive Belastung am Kraftwerkszaun bestimmt: Für Modell A und B kommt man auf Werte, die weit - ein bis zwei Größenordnungen - unter der Dosis liegen, ab der eine Evakuierung der Bevölkerung in der Nähe des Kraftwerks nötig wäre. Ähnliches gilt für Modell C, die Werte für Modell D liegen nochmals deutlich niedriger.

Damit haben sich die aus früheren Studien bekannten attraktiven Sicherheitseigenschaften in der neuen Studie bestätigt: Katastrophale Unfälle sind in einem Fusionskraftwerk unmöglich.

Keine Endlagerung nötig


Auch die Abfallsituation wurde erneut untersucht: Das von den Fusionsneutronen aktivierte Material verliert seine Radioaktivität in allen vier Modellen relativ schnell. In hundert Jahren sinkt sie auf ein Zehntausendstel des Anfangswerts. Für das zeitnahe Modell B zum Beispiel ist hundert Jahre nach Betriebsende knapp die Hälfte des Materials nicht mehr radioaktiv und kann für beliebige Nutzung freigegeben werden. Die andere Hälfte könnte - entsprechende Techniken vorausgesetzt - rezykliert und in neuen Kraftwerken wieder verwendet werden: Eine Endlagerung wäre dann nicht nötig. Ähnliches gilt für die anderen drei Modelle.

Stromkosten wettbewerbsfähig


Von Modell A bis D steigt die Effizienz, mit der die Fusionsenergie aus dem Blanket abgezapft werden kann sowie - mit steigender Kühlmitteltemperatur - der Wirkungsgrad der Stromerzeugung. Zudem werden von A bis hin zu D immer günstigere Plasmazustände erreicht: die Belastung der Wände nimmt ab, weniger elektrische Leistung muss zur Eigenversorgung in das Kraftwerk zurückgespeist werden. Daher reichen von Modell A bis D immer kleinere Fusionsleistungen zur Erzeugung von rund 1.500 Megawatt elektrischer Leistung aus. Zudem nimmt das Plasmavolumen von Modell A bis D um mehr als die Hälfte ab, das heißt die Anlagen können insgesamt kleiner gebaut werden.

Entsprechend lassen die vier Kraftwerksmodelle unterschiedliche Strompreise erwarten: Modell A führt zu den höchsten Stromkosten, gefolgt von Modell B und C. Das avantgardistische Modell D hat die niedrigsten Kosten. Selbst B und C wären jedoch mit Stromgestehungskosten von fünf bis zehn Cent pro Kilowattstunde wettbewerbsfähig.

Günstige Umwelteigenschaften, wirtschaftlich akzeptabel


Insgesamt lässt die Studie erwarten, dass bereits die erste Generation kommerzieller Fusionskraftwerke - repräsentiert in den beiden zeitnahen Modellen A und B, deren Entwicklung keine erheblichen Fortschritte in der Plasmaphysik und Materialforschung voraussetzt - günstige Sicherheits- und Umwelteigenschaften besitzen und wirtschaftlich akzeptabel arbeiten wird. Die Modelle C und D zeigen das große Potential für weitere physikalische und technologische Verbesserungen.
(idw - Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, 03.02.2006 - DLO)
 
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