von Hans Hofmann-Reinecke
Projekte zum Thema kontrollierte Kernfusion werden von viel PR und großer Hoffnung begleitet. Sollten Politiker diese Energiequelle in ihre Planungen konkret einbeziehen? Nehmen wir dazu den Champion unter den Kandidaten einmal unter die Lupe. Schauen wir uns ITER mit seinen Chancen und Risiken an.
Ein Donut voll Plasma
Unter den verschiedenen Anstrengungen, um auf Erden eine kleine Sonne zu bauen, die durch Fusion von Atomkernen endlose und ziemlich saubere Energie liefert, ist das Projekt ITER der teuerste Kandidat. Ist ITER auch der Champion? Wird er als erster das Ziel erreichen? Wird er es überhaupt jemals erreichen?
Um das zu beurteilen müssen wir kurz in die Technik einsteigen. Die Achse des Guten (wie auch EIKE) hat hier, hier und hier schon darüber berichtet, aber Sie verstehen die Sache auch so. Es geht darum, Atomkerne einander sehr nahe zu bringen, sodass sie miteinander verschmelzen. Dazu müssen sie zunächst eine starke Abstoßung überwinden. Wenn man die Kerne aber auf 150 Millionen °C erhitzt, dann haben sie ausreichend Schwung, so um die 1000 km/sec, um den Widerstand zu bezwingen und sie können schließlich zu einander finden.
Der Behälter, in dem das stattfinden soll, ist ein Donut-förmiges Rohr, ein Torus, mit einem sehr starken Magnetfeld, welches die Mischung aus Atomkernen und Elektronen, genannt Plasma, daran hindern soll, an die Wandungen zu rasen. Eine Reihe unterschiedlicher Vorrichtungen sorgt dafür, dass Energie in das System gepumpt wird, um es aufzuheizen. Nennen wie diese Energie E1, und die Energie, die bei der nun folgenden Fusion entsteht ist E2. Damit das Ganze eine Energiequelle wird muss offensichtlich E2 > E1 sein, anders ausgedrückt, der Quotient Q = E2/E1 sollte >1 sein.
Der Weltrekord von 1997
Und? Sind das alles nur Zahlenspielereien auf dem Papier? Gibt es das auch in echt? Hat man schon einmal so ein verdammtes Q > 1 gemessen?
Der Weltrekord wurde 1997 aufgestellt mit Q = 0,67, und zwar im „Joint European Torus“ – seine Freunde nennen ihn JET. Der hat einen Durchmesser von 6 Metern und liegt eine gute Autostunde westlich von London. Das alleine beeindruckt Sie vielleicht nicht, aber mit all dem Drum und Dran wird dann doch eine recht imposante Anlage daraus. Das oben erwähnte Magnetfeld beispielsweise wird von 32 Kupferspulen erzeugt, von denen jede 12 Tonnen auf die Waage bringt.
Ist dieses Q = 0,67 nun alles? Ist es das Ende der Fahnenstange? Antwort: Jein. Vom JET kann man kaum mehr erwarten, aber die Methode gibt Hoffnung. Man müsste so ein Ding größer machen, dann würde es funktionieren. Und zwar aus folgendem Grund: Die Energie geht bei solch einem Torus irgendwie durch die Wandungen verloren, erzeugt wird sie aber in seinem Inneren. Machen wir den Donut also doppelt so groß, geben wir ihm 12 Meter Durchmesser statt 6, dann wird seine Oberfläche 2 x 2 = 4 mal so groß, aber sein Volumen 2 x 2 x 2 = 8 mal so groß.
Die große Wärmflasche
Jetzt hält die Energie In dem zur Oberfläche verhältnismäßig größeren Volumen besser zusammen – so wie auch eine große Wärmflasche länger warm hält als eine kleine (vielleicht ein ganz nützlicher Hinweis für den Winter, damit sich das Frieren für den Frieden in Grenzen hält).
Der Torus von ITER, dem gigantischen internationalen Fusionsexperiment im Süden Frankreichs, hat 12,4 m Durchmesser statt der 6 m seines kleinen und älteren Bruders JET, und er bietet dem Plasma ein Volumen von 840 m3 statt nur 100 m3. Aber auch andere Dinge sind „nichtlinear“ in die Höhe geschnellt. So wird der Torus aus neun Segmenten zusammengesetzt, ähnlich dem oben abgebildeten Gugelhupf. Jedes dieser Segmente hat nach Adam Riese einen Winkel von 360° / 9 = 40° und wiegt 500 Tonnen – pro Stück. Das ist auch das maximale Abfluggewicht eines A380 Superjumbos.
Für die Magnetspulen wird eine Legierung des Elements Niob verwendet, welche im Gegensatz zu Kupfer keinen elektrischen Widerstand hat, was die Stromrechnung niedriger hält. Allerdings müssen diese Spulen, so wie alle Supraleiter und alle Supraleiterinnen, auf extrem niedrige Temperatur gekühlt werden. Und das kommt nicht zum Nulltarif.
Die Komplexität und die elefantösen Ausmaße dieser Maschine machen sie derzeit vermutlich zur anspruchsvollsten Vorrichtung weltweit. Das stellt nicht nur die Wissenschaft auf die Probe, sondern auch die Industrie, welche völlig neuartige Komponenten liefern soll, in deren Fertigung sie wenig Erfahrung hat. Und so hat man kürzlich an den erwähnten Torus-Segmenten feine Riss festgestellt, welche die Montage des Torus erst einmal bremsen. Das tut weh!
Wie geht’s weiter?
Der nächste wichtige Meilenstein ist “First Plasma”. Zu diesem Zeitpunkt wäre die Anlage fertig montiert und man hätte zum ersten Mal Plasma im Torus erzeugt. Die unzähligen Systeme wie etwa Kältetechnik, Stromversorgung, Vakuum etc. etc. hätten ihre Funktion bewiesen. Als Datum für diesen Meilenstein ist auf ITERs Website Dezember 2025 angegeben, allerding mit diesem Caveat:
*Das Datum dieses Meilensteins kann sich ändern. Aufgrund der Auswirkungen von Covid-19 auf die ITER-Fertigung ist das Projekt dabei, einige technische Meilensteine neu zu bewerten. Änderungen am Baseline-Zeitplan von ITER können nur vom ITER-Council vorgenommen werden.
Ich möchte nicht in den Schuhen von Pietro Barabaschi stecken, ITERs neuem Director General, von dem demnächst ein neuer Zeitplan erwartet wird.
Und noch etwas: „First Plasma“ ist noch sehr weit weg von der Kernfusion, dem eigentlichen Ziel. Der Beginn der Experimente, bei denen dann erstmals ein Plasma aus Tritium und Deuterium, dem eigentlichen „Brennstoff“ verwendet würde, war für 2035 vorgesehen. Aber auch falls dann ein paar Jahre später das gesteckte Ziel erreicht wird, nämlich ein Q>10 für einige Minuten, wenn ITER also seine Schuldigkeit getan hätte, auch dann wäre es noch ein sehr langer Weg zu einem Fusionskraftwerk, das uns mit Strom versorgen könnte.
Fazit
-
ITERs Schwierigkeiten könnte zur Annahme führen, dass Energieversorgung durch kontrollierte Kernfusion zu kompliziert, zu teuer, oder schlicht unmöglich ist. Allerdings war auch das Manhattan Projekt zur Entwicklung der US Atombomben unendlich kompliziert und teuer, aber es hat schließlich den Weg zu den heutigen, durchaus nützlichen Kernreaktoren geebnet.
-
Ein Problem für ITER ist sicherlich die Balance zwischen Wissenschaft und Technik einerseits, und Politik und PR andererseits. Zur weiteren Finanzierung des Projekts muss nach außen strammer Optimismus kommuniziert werden, es wäre aber gefährlich, wenn auch die eigenen Techniker und Wissenschaftler begännen an ITERs externe PR zu glauben.
-
Für ITER oder die anderen, vergleichsweise kleineren Projekte ist das Geld der Steuerzahler wesentlich besser investiert, als für Windmühlen oder Genderforschung. Egal ob wir jemals Fusionskraftwerke haben werden oder nicht, die Arbeit daran ist ein Beitrag zur Rettung westlicher Wissenschaft und Intelligenz vor dem totalen Verfall.
Dieser Artikel erschien zuerst im Blog des Autors Think-Again. Sein Bestseller „Grün und Dumm“ ist bei Amazon erhältlich.
Wir freuen uns über Ihren Kommentar, bitten aber folgende Regeln zu beachten:
Es könne leicht sein das ITER-TOKAMAK nur noch in den Geschichtsbüchern steht als Milliardengrab.
https://www.youtube.com/watch?v=hv5qhsAoR9w&t=3s
Recht herzliche Grüße aus Australien!
(Aus der Nähe von Gympie, Queensland.)
Das Thema Kernfusion und ITER sind höchst interessant.
Es erinnert mich an eine weitere, bzw. eine ähnliche Form von Energiefreisetzung:
Das SAFIRE Project.
Was ist dazu die allgemeine Meinung von EIKE?
Das SAFIRE Project, soweit ich weiß, war zunächst ein Versuch, das was im gigantischen in unserer Sonne abläuft, im Kleinstformat im Labor nachzuahmen. Ancheinend klappt das. Nicht nur das, es scheint die notwendige Technologie für die Zukunft zu sein.
Bloß, natürlich, wird das auch zugelassen.
Am Ende ist die Adresse für ein Video (17 Minuten), daß all das viel besser erklärt als ich das jemals könnte.
Es wäre interessant zu hören was die Experten von EIKE dazu sagen, was ihr davon haltet.
Mit freundlichen Grüßen,
Peter Sprunk
https://www.youtube.com/watch?v=7GFFfmBGb5U
Ich kann mir gut vorstellen, dass Kernfusion im 22. oder 23. Jahrhundert eine Rolle bei der Energieversorgung spielt. Mindestens genauso gut kann ich mir vorstellen, dass das „Einsammeln“ von Sonnenenergie (Wind, Strahlung) im Verlauf des 21. Jahrhunderts so einfach und selbstverständlich geworden ist, dass andere Energielieferanten für die nächsten 5 Milliarden Jahre uninteressant geworden sind.
Silke Kosch
Da isser wieder, mein liebster grüner Gedankengang. Wild ist das billigste Fleisch, denn man muss es nicht füttern, lediglich im Wald „einsammeln“.
Ich kann mir gut vorstellen das Kernfusion heute schon funktionieren würden, wenn die Grünen mehr als 20 Mrd. Euro locker machen würden für ITER und Kernfusion. Statt dessen wurden 20 Mrd. Euro pro Jahr alleine in Deutschland über das EEG in Ausbau von Wind und Sonne investiert. Ohne Erfolg. Wind und Sonne decken 7% des Endenergieverbrauches in Deutschland und das nicht mal bedarfsgerecht. Und Grüne und Co. denken man müsse das nur beschleunigen und das wäre dann noch unschlagbar billig. Wer gerne gegen mich wetten möchte, ich wette 1.000 €, dass die Energiewende misslingen wird und Stromausfälle steigen werden.
Ich wette 1000 € darauf dass Sie die Wetter gewinnen werden.
Ich biete grünen Heilspredigern schon seit ca. 10 Jahren vergleichbare Wetten an. Wurden bisher nie angenommen. Die wissen auch, dass sie verlieren werden. Bei denen geht es um den Kampf gegen „Rechts“, auch „Frau“ Kosch. Und Eike und Co. halten die für rechte Bösewichte …
Nun im Jahr 2022 wurden die Erneuerbaren in Deutschland um ca. +10GW ausgebaut und weltweit um ca. +295GW.
Nun im Jahr 2023 wurden die Erneuerbaren in Deutschland über ca. +17GW ausgebaut und weltweit um über +400GW.
https://www.energy-charts.info/charts/installed_power/chart.htm?l=de&c=DE&year=2023&expansion=installation_decommission
Herr Michael Krüger,
wo kann ich die 1000€ abholen?
Silke, die Strahlung und der Wind haben so ein geringen Energiegehalt gegenüber der Umgebung, dass eine effektive Gewinnung nicht möglich ist. Da Energie immer vom höheren zum niedrigen Niveau fließt und unmöglich umgedreht, kann man in dem Sinne Energie nicht gewinnen, sondern einen Prozess starten, in dem Energie „von oben nach unten“ fließt und einen Teil abzweigen und nutzbar machen. Die natürlichen Energieflüsse haben in der Regel einen geringen Niveauunterschied und sind häufig weg, daher ist die effektive Nutzung ausgeschlossen. Ein Riesenlupe im Weltall, die Sonnenstrahl konzentriert wäre eine theoretische Möglichkeit, aber wohl nur theoretisch.
Ein Gedankenspiel dazu: wenn man bei kochendes Wasser für den Dampf die Öffnung klein lässt, pfeift der Dampf raus und alles, was man im Wege stellt, bewegt sich. Klassische Umwandlung von Wärme in Bewegung, wie in jedem Kraftwerk. Kippt man das Wasser in die Wanne, hat man lauwarmes Wasser, Luft steigt darüber nach oben aber „pfeift“ nicht. Der Aufwand, den gleichen Energiefluss einzufangen ist ungleich größer, wie bei allen EE Anlagen. Nur der Glaube und die Gewinne Einzelner hält den Unfug am Leben.
Im Übrigen braucht man in 5 Milliarden Jahren keine Energie mehr, da existiert die Erde schon lange nicht mehr, die Sonne hat sich bis über die Erdorbit ausgedehnt und alles vernichtet.
Frau Kosch, vielleicht mal zukünftig vom Weltraum aus, wo die Sonne immer scheint, genügend Platz vorhanden ist und die großen Solarpanels vielleicht auch Schatten liefern – für die, denen es auf der Erde zu heiß wird. Worauf in dem Bericht nicht eingegangen wird, sind angebliche Fortschritte in der Supraleittechnik, auf die heute Start-Ups mit deutlich kleineren Tokamak-Anlagen setzen. Wenn das so stimmt, wäre das ein zentraler Beitrag, dass es mit der Fusion zukünftig schneller geht.
Ihre „5 Milliarden Jahre“ lassen auf einen ähnlich hohen IQ wie den der Aussenministerin schliessen, die ja demnächst Länder die „hunderttausende Km von uns entfernt liegen“ besucht.
Frauen im allgemeine, und grünen Frauen im besonderen, haben ein gestörtes Verhältnis zu Zahlen. Das wird sich demnächst bei der Energieversorgung Deutschlands deutlich bemerkbar machen.
Meine Meinung zum Thema: Außer Spesen nichts gewesen!
Schon die physikalischen Rand-, Neben- und Anfangsbedingungen um eine Kernfusion stetig am „laufen zu halten“, kann von den Menschen derzeit nicht realisiert werden. Der „Nachbau“ eines Sterns ist auf Erden aktuell und in weiter Zukunft nicht möglich.
Mfg, Werner Holtz
Mein verstorbener Vater Wilhelm hat in München Physik studiert, dann am Kernforschungszentrum Jülich gearbeitet und war schließlich Professor der Mathematik in Heidelberg. Sein Spezialgebiet war die Stochastik. Nach seiner Pensionierung lebte er in Brandenburg auf dem Land und besuchte auch einmal eine Konferenz zur Klimaforschung in Potsdam, da er sich sich für die Modellierung komplexer, chaotischer Systeme interessierte. Er hatte danach jeglichen Glauben an die angeblich sichere Klimaerwärmung verloren, da die Forscher offensichtlich den Beitrag der Sonne zum Klimageschehen nicht präzise zu nennen wussten. Wenn aber nicht einmal das klar war, wie konnten sie dann ein so hochkomplexes System wie das Klima sicher vorhersagen? Er hatte aber auch Verständnis für die Wissenschaftler in Potsdam. Er verglich sie mit seinen Physikerkollegen, die den Politikern auch schon seit Jahrzehnten Unsummen für den Fusionsrektor aus dem Ärmel leierten, obgleich es nach Auffassung meines Vaters völlig ausgeschlossen war, dass dieser jemals funktionieren würde.
Ob die Kernfusion jemals im kommerziellen Maßstab zur Stromversorgung funktionieren wird, steht m.W. in den Sternen. Das Thema beobachte ich seit Jahrzehnten und immer heißt es: In ca. 30Jahren ist es soweit!
Bis dahin müss(t)en wir die Kernspaltung weiter betreiben, aber im Land der Zipfelmützen wird statt dessen Kohle verfeuert und dann über den zu hohen CO2-Ausstoß schwadroniert.
Ich glaube hier auf Eike habe ich die witzige Prognose gelesen, die Kernfusion ist in 50 Jahre soweit, unabhängig vom Zeitpunkt der Aussage!
Im Ernst, die Kernfusion wird kommen, aber wir werden sie nicht erleben.
Das denke ich auch, dass die Entwicklung der Fusion irgendwann einmal soweit ist. Vor hundert Jahren hätte auch niemand an eine funktionierende Kernspaltung gedacht.
Die Flora hat etwa 4,5 x10^14 t Kohlenstoff in die obere Erdkruste eingelagert. Wenn 1% davon wirtschaftlich förderbar sind, so reicht das aus, um den gesamten gegenwärtigen Jahresbedarf an Primärenergie (etwa 2 x 10^10 t C) für mehr als 2000 Jahre zu decken. Dazu kommt Kernenergie mit einer vergleichbaren Reichweite. – Selbst wenn die Fusion technisch realisierbar wäre, bliebe Wirtschaftlichkeit eine Utopie. –
ITER erinnert mich etwas an DESERTEC, von dem Manche behaupten, dieses Megaprojekt habe Milliarden an Entwicklungsmitteln verschlungen, für vernünftige Ideen der Energieerzeugung vernichtet und dabei Konzernstrukturen gestärkt. Kernfusionsanlagen sind letztlich genau so nur für Konzerne und deren Investoren interessant. Denn daran hängen auch wieder Verteilnetze und Handelsplätze, welche den Gewinn abschöpfen. Solange uns aber die Sonne mit ihrer Kernfusion fix und fertig ein Vielfaches an Energie liefert, als wir je verbrauchen, sollten wir schauen, wie wir diesen Überfluss dezentral nutzbar machen. Zumal sich diese Technologien momentan schneller entwickeln.
Bitte hier nur unter vollem Klarnamen posten.
Die Fusion kann nur erfolgreich gelingen, wenn wir die Hauptkraft der Sonne zu ihre Bändigung nachbilden können: Die Gravitation! Sie ist eine statisch wirkende Kraft, wie sie auch ein Permanentmagnet bildet. Die Gravitation lebt von der Masse eines Sterns, leider wird diese durch dessen Fusionsprozess und dessen Energieabstrahlung verbraucht. Also auch die Gravitation gibt es nicht umsonst.
Sobald in unserem derzeitigen politischen Umfeld jemand endeckt und formuliert, dass das Nachbilden der Gravitation für einen Fusionsreaktor nachhaltig ist, werden sich Geldströme über ihn ergießen wie bei der verrückten CO2-Vermeidung. Nur zu, wir haben ja Geld ohne Ende, das wir gar nicht selbst verbrauchen können, sondern in der großen weiten Welt verteilen müssen, damit wir nicht daran ersticken. – Das meinen wenigstens augenscheinlich unsere derzeitigen Politiker, weniger diejenigen Menschen, die es erwirtschaften müssen.
Sie verwechseln hier Magnetismus mit Gravitation. Um ein Plasma zu bändigen braucht es ein Magnetfeld, keine Gravitation.
@Frirt Müller,
Prof. Puschner hat m.E. Recht. In der Sonne ist es die Gravitation, welche das Plasma zusammenhält. Gravitation ist bisher nicht künstlich nachbildbar. Deshalb versuchen die Physiker bei Kernfusionsexperimenten hier auf Erden, das Plasma statt durch Gravitation durch Magnetismus zusammenzuhalten.
Ich kann mir nicht vorstellen, dass Hr. Puschner als Prof. der E-Technik den Unterschied zwischen Gravitation und Magnetismus nicht kennt.
#Frirt Müller am 8. Dezember 2022 um 0:18
Sie können sich entspannt zurücklegen und davon ausgehen, dass ich Magnetfeld und Gravitation auseinanderhalten kann. Vielleicht verinnerlichen Sie besser einmal, was ich geschrieben habe. Und das Plasma im Inneren der oder einer beliebigen Sonne wird durch Gravitation, eine Masseneigenschaft, zusammengehalten, nicht durch eine Magnetfeld. Deshalb der Hinweis, dass man Gravitation auf der Erde gerade nicht mal eben nachbilden kann. Einverstanden?
Ja, einverstanden. Ich hatte Ihre Aussage wohl falsch interpretiert.
Und wenn die Gravitation aufgrund Masseverlust nachlässt, kann die Sonne nicht mehr in diesem Maße das Plasma „festhalten“ und dehnt sich aus. Bis zu Erde u d schluckt diese, in rund 4 Mrd Jahren.
Viel mir gerade ein….
Das Hauptproblem für das Torusmaterial kommt erst noch. Der starke Neutronenbeschuss führt zu strukturellen Schäden des Materials und man kann davon ausgehen, dass der Torus recht häufig komplett ersetzt werden muss.