Im Zentrum unseres Planetensystems befindet sich die Sonne, die mit ihrer ungeheuren Masse die Planeten auf den Bahnen hält und gleichzeitig einen nahezu unerschöpflichen Energielieferanten darstellt, der schon seit Jahrmilliarden existiert und noch Milliarden Jahre weiter bestehen wird.

Die Sonne

Für die Entstehung dieser Energie ist der elementare Prozess der Kernfusion verantwortlich, der im Inneren der Sonne und anderer Fixsterne stattfindet.
Die Kernfusion stellt einen zentralen Vorgang in der Natur dar, der die Gestalt des uns bekannten Universums wesentlich mitbeeinflusst hat. Ohne die Kernfusion gäbe es weder das Leben auf unserem Planeten, noch würden die chemischen Elemente existieren, aus denen die Erde und die anderen Planeten unseres Sonnensystems aufgebaut sind und aus denen letztlich auch alle Lebensformen auf der Erde – einschließlich wir selber – bestehen.

Darüber hinaus eröffnet uns das Verständnis der Kernfusion im Sonneninneren auch unmittelbar die Möglichkeit, unsere Probleme hier auf der Erde zu lösen. Die Deckung des rasant wachsenden Weltenergiebedarfs, die Schonung der letzten fossilen Energieressourcen und die Reduzierung der Treibhausgasemissionen stellen dringliche Herausforderungen unserer Zeit dar, die mittlerweile alle gleichzeitig bewältigt werden müssen.
Wollen wir Energie erzeugen, müssen wir natürliche Ressourcen nutzen, wobei Energie eigentlich nicht erzeugt, sondern gemäß den Erhaltungssätzen der Physik lediglich umgewandelt wird. Die unkomplizierteste, wenn sicherlich auch nicht die intelligenteste und schon gar nicht effizienteste Methode, Energie umzuwandeln, ist die, einen begrenzten und nicht erneuerbaren Vorrat an Material einfach zu verbrennen.
Eine wirkliche technische und intellektuelle Herausforderung stellt dagegen die Energieumwandlung im atomaren Bereich durch Kernspaltung dar.
Doch das hierfür benötigte Material ist ebenfalls begrenzt und die Umsetzung ist extrem risikoreich, weshalb diese Art der Energieumwandlung trotz ihrer wesentlich höheren Effizienz, nicht nur in Deutschland, bekanntlich sehr umstritten ist.

Der heilige Gral der Energiegewinnung aber wird durch die effizienteste in der Natur vorkommende Art der Energieumwandlung überhaupt repräsentiert, die Kernfusion.
Gelingt es, den Prozess der Kernfusion auf der Erde in großem Stil zu nutzen, könnte dies den vielleicht wichtigsten Beitrag zur Lösung der Probleme unserer Zeit leisten.
Umweltfreundlicher als viele andere Arten der Energieumwandlung ist die Kernfusion außerdem.: Bei dem Prozess der Kernfusion entstehen keinerlei Kohlendioxidemissionen

Für den interessierten Leser besteht die Möglichkeit, die vollständige Story auf Anfrage als Pdf-Dokument zu erhalten!

[Blogbeitrag von A. Ewers]

Der ITER-Reaktor

ITER wird der weltweit größte Kernfusionsversuchsreaktor, wenn er 2018 wie geplant fertiggestellt ist. Er stellt wahrscheinlich den wichtigsten Schritt auf dem Weg zum ersten kommerziell betriebenen Fusionskraftwerk der Zukunft dar, in dem Wasserstoffkerne zu Heliumkernen verschmelzen und dabei riesige Mengen Energie freisetzen.
Bezeichnenderweise kommt der Begriff aus dem Lateinischen und bedeutet “der Weg”. Gleichzeitig steht ITER, ein Gemeinschaftsprojekt der 7 Parteien – Europäische Union, Japan, Russland, China, Süd-Korea, Indien und USA – für “International Thermonuclear Experimental Reactor” (Internationaler thermonuklearer Versuchsreaktor).
Die Idee für dieses bahnbrechende Projekt regte Mijail Gorbachov, Premierminister der damaligen Sowjet Union, 1985 an, um die Fusionsenergieforschung weiterzuentwickeln und zu Friedenszwecken zu nutzen.

Der Reaktor ITER wird mit einem Plasma aus Deuterium und Tritium, beides Wasserstoffisotope, eine Fusionsenergie von mehreren Hundert MW produzieren. Seine Bedeutung im Hinblick auf die Energieversorgung der Zukunft sollte dabei nicht unterschätzt werden.
Denn die Kernfusion stellt die effizienteste Energiequelle überhaupt dar.
Sie ist noch effizienter als die Kernspaltung, in jedem Fall wesentlich effizienter als die Art der Energiegewinnung durch Verbrennen fossiler Rohstoffe. Im Rahmen der Kernfusion sind nur vergleichsweise winzige Mengen Brennstoff erforderlich, um riesige Mengen Energie zu gewinnen. Außerdem entsteht bei dem Prozess der Kernfusion kein Kohlendioxid, was in Zeiten eines fortschreitenden Klimawandels von unschätzbarer Bedeutung ist.

ITER-Tokamak mit Plasma

Ende Mai wurde aber im Fachmagazin “Nature” berichtet, dass insbesondere die Mitgliedsstaaten der EU auf einem Treffen am 26. Mai uneinig darüber waren, wie die zusätzlichen Milliarden für den Bau des Reaktors aufzubringen seien. Die EU soll nämlich mit 45 % einen Großteil der Baukosten übernehmen.
In Nature war auch davon zu lesen, dass einige europäische Staaten sogar so weit gehen würden, dass sie sich von dem Projekt zurückziehen wollten, was katastrophal für das gesamte Projekt wäre.
Unsere Forschungsministerin Annette Schavan äußerte gegenüber der Presse, dass man ITER nicht um jeden Preis unterstützen wolle. Auch der deutsche Anteil der Baukosten ist natürlich gestiegen. Einer ihrer Vorschläge laut Nature war, den ITER-Reaktor umzudesignen, vielleicht einen kleineren zu bauen.
Ein äußerst vermessener Vorschlag, wenn man berücksichtigt, dass der geplante Reaktor bereits nur halb so groß ausfallen wird, als die Forscher ursprünglich gehofft hatten.

Laut Nature hatten die europäischen Mitgliedsstaaten eine “Task Force” gebildet, in der diskutiert werden sollte, wie die höheren Kosten zu finanzieren sind. Die Runde wollte sich wöchentlich bis zum nächsten Treffen des ITER-Rats Mitte Juni treffen. Falls keine Einigung unter den EU-Mitgliedern vor dem Treffen zu finden sei, könnten die anderen sechs ITER-Mitglieder darüber entscheiden, das ITER-Ratstreffen zu verschieben, bis die EU eine Einigung erzielt hat.
Das Treffen des ITER-Rats fand aber glücklicherweise wie geplant vom 16. bis 17. Juni in Suzhou, China, statt. Das dürfte dann wohl ein positives Signal für die Zukunft des Projekts sein.

IGNITOR-Reaktor

Italien und Russland planen den Bau dieses neuen Kernfusionsexperiments, IGNITOR genannt. Nach vorausgegangenen Gesprächen zwischen Italiens Premierminister Silvio Berlusconi und dem russischen Premierminister Vladimir Putin unterzeichneten Minister beider Länder letzten Montag ein diesbezügliches Memorandum.

Die Idee zum Bau dieses Reaktors stammt von dem italienischen Plasmaphysiker Bruno Coppi vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, USA. Er brachte die Idee bereits in den 1970er Jahren auf, als er Experimente im Rahmen des Alcator Fusionsforschungsprogramms am MIT durchführte, das auch von ihm initiiert worden war.
Alcator C-Mod, wie der derzeitige Reaktor heißt, ist der größte Fusionsreaktor an einer Universität in der Welt. Seit den ersten Experimenten am MIT hat Coppi – dort immer noch Professor – mit einer kleinen Gruppe von Mitarbeitern in den USA und Italien seine Vision zu Papier gebracht und weiterentwickelt. Sogar die ersten Prototyp-Bauteile wurden bereits gebaut. Das Projekt wurde von der italienischen Regierung unterstützt, was Italien bisher etwa 20 Millionen Euro gekostet hat.
Das Konzept des neuen Reaktors soll sich die jahrzehntelange Erfahrung in der Forschung an den Alcator Maschinen zunutze machen.
Zusammen mit der italienischen Nationalen Agentur für neue Technologien, Energie und Umwelt (ENEA) und dem Präsidenten des Curchatov Atomic Energy Institute aus Moskau, Evgeny Velikhov, will Coppi die endgültigen Pläne zum Bau des Reaktors fertigstellen, der in Troitsk bei Moskau gebaut werden soll.
Gemäß einer Schätzung des ENEA von 2003 sind für den Bau des IGNITOR Reaktors weitere 226 Millionen Euro vonnöten.

Es hat lange gedauert, bis Coppi seine Vision in die Tat umsetzen konnte. Jetzt will er mit dem Bau des Reaktors die generelle Machbarkeit von Plasmazündungen demonstrieren und unter Beweis stellen. Dies soll außerdem viel billiger und früher als im internationalen Versuchsreaktor ITER geschehen, in dem erst 2026 das erste Plasma gezündet wird.

ITER-Reaktor

Das Kernstück des IGNITOR-Reaktors, wie auch des ITER-Reaktors, wird ein sog. Tokamak sein, der die Tatsache ausnutzt, dass die Teilchen, aus denen das zu entzündende Plasma besteht, geladen sind.
Ein Fusionsplasma besteht aus positiv geladenen Atomkernen – in der Regel Kernen der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium – und freien Elektronen. Geladene Teilchen werden durch ein Magnetfeld abgelenkt und können so eingefangen oder eingeschlossen werden. Denn um ein heißes Plasma von mehr als 100 Millionen Grad zünden zu können, muss man es über einen ausreichend langen Zeitraum in einem begrenzten Volumen einschließen. Dies stellt allerdings ein schwieriges Unterfangen dar.
Die Wände des Gefäßes können sich bei den derart hohen Temperaturen auflösen, oder das Plasma würde sich zu schnell wieder abkühlen, was kontraproduktiv ist.
Damit dies nicht geschieht, muss das Plasma von den Wänden des Behältnisses, in dem es sich befindet, ferngehalten werden. Dies geschieht durch sehr starke Magnetfelder in den Tokamaks.
Tokamaks besitzen eine Torusform. Der magnetische Käfig entsteht hier aus der Überlagerung eines ringförmigen Feldes, das durch äußere elektromagnetische Spulen erzeugt wird, mit einem zweiten magnetischen Feld, das von einem Strom im Plasma generiert wird. Auch der Alcator C-Mod am MIT, der als wissenschaftliche Grundlage für den neuen IGNITOR-Reaktor gilt, gehört zu der Klasse der Tokamaks.

Die National Ignition Facilty.

Der Klimawandel, der unser aller Lebensgrundlagen bedroht, und ein immer schneller ansteigender Weltenergiebedarf erfordern neue alternative Wege der Energieerzeugung. Die fossilen Energieträger Erdöl, Erdgas und Kohle, auf deren Verbrennung derzeit die Energieversorgung der Menschheit in erster Linie beruht, gehen nicht nur rapide dem Ende zu, ihre Verbrennung erzeugt auch Kohlendioxid, welches in der Erdatmosphäre angereichert den Treibhauseffekt und damit den Klimawandel immer weiter vorantreibt.

Wir brauchen alternative, saubere und effizientere Energieerzeugungsmethoden. Der Prozess der Kernfusion verspricht in dieser Hinsicht viel.
Die Kernfusion ist die effizienteste Energieerzeugungsmethode überhaupt und eine der saubersten. Bei dem Prozess der Kernfusion entsteht kein klimaschädliches Kohlendioxid. Im Gegensatz zur Kernspaltung werden bei der Fusion kaum radioaktive Abfälle erzeugt, und sie ist außerdem sicherer. Darüber hinaus ist der Hauptbrennstoff Deuterium (bzw. Deuteriumkerne, die Kerne schweren Wassers bestehend aus einem Proton und einem Neutron) auf der Erde im Prinzip grenzenlos vorhanden, vor allem gebunden im Wasser der Ozeane.

Das NIF-Lasersystem.

Was liegt da näher, als alles daran zu setzen, schnellstmöglich die Kernfusion auf der Erde kommerziell zu nutzen, bevor die Probleme ganz aus dem Ruder laufen, auch wenn der Weg dahin noch weit scheint. Viele Wissenschaftler gehen davon aus, dass Kernfusionskraftwerke erst frühestens ab Mitte dieses Jahrhunderts kommerziell nutzbar sein könnten.

Die ersten erfolgreichen Experimente, die kürzlich am weltgrößten und energiereichsten Laser aller Zeiten, an der National Ignition Facility (NIF) am kalifornischen Lawrence Livermore Laboratory (LLNL), durchgeführt wurden, könnte dies vielleicht beschleunigen und das Ziel der wirtschaftlichen Nutzung der Kernfusion in nähere Zukunft rücken.

Die Targetkammer.

Nicht nur der erste Kernfusionstestreaktor ITER, der in Cadarache in Frankreich gebaut wird, auch die laserinduzierte Kernfusion, wie sie an der National Ignition Facility (NIF) erprobt wird, sind wichtige Schritte auf dem Weg zur grenzenlosen Energie für alle.
Auch wenn das LLNL ursprünglich zu militärischen Zwecken gegründet wurde und die NIF das US-Kernwaffenarsenal versorgen und unterstützen soll, so besteht doch ein erklärtes Ziel der Wissenschaftler auch darin, der friedlichen Nutzung der Kernfusion zum Durchbruch zu verhelfen und den Nachweis zu erbringen, dass die Kernfusion grenzenlos saubere klimaneutrale Energie liefern kann.

Nach 12 Jahren Bauzeit war die NIF, die rund 3,5 Milliarden Dollar gekostet hat, im Mai 2009 eingeweiht worden. Untergebracht in einem 26 m hohen Gebäude ist die NIF, die sich über eine Fläche von drei Fußballfeldern erstreckt, das größte und energiereichste Lasersystem der Welt. Laut Aussage von LLNL-Forschern wird das System mindestens 60 mal mehr Energie liefern als jedes bisherige Lasersystem auf der Welt.
In der NIF werden 192 Laserstrahlen über eine enorme Strecke von 1500 Metern von ihrem Ursprung in einem Master-Oszillatorraum, von welchem aus das gesamte NIF-Lasersystem gespeist wird, bis zum Zentrum der Targetkammer, in der die Strahlen fokussiert werden und die Fusion ausgelöst werden soll, immer weiter verstärkt.
In nur 5 Millionstel einer Sekunde wächst die Energie der Laserstrahlen exponentiell von einem Milliardstel Joule auf mehrere Millionen Joule an.

Daher versucht man sich bestimmte Eigenschaften des Plasmas zunutze zu machen, um das Problem zu lösen. Eine und derzeit die wohl gängigste Methode nutzt die Tatsache, dass geladene Teilchen, wie sie im Plasma vorhanden sind, von Magnetfeldern abgelenkt werden. Sehr starke Magnetfelder können so dazu dienen, das Plasma in einem begrenzten Volumenbereich quasi einzuschließen. Doch auch bei den am weitesten entwickelten Reaktormodellen, dem Tokamak und dem Stellarator, entstehen immer wieder Lecks im magnetischen Einschluss durch Turbulenzen im Plasma.

Forscher um Jay Kesner vom MIT und Michael Mauel von der Columbia Universität in den USA nutzen nun im Rahmen eines neuartigen Experiments, dem Levitated Dipole eXperiment (LDX) gerade diese auftretenden Plasmaturbulenzen, um das Plasma besser einschließen zu können. Dabei machen sie sich einen Effekt zunutze, der in der Magnetosphäre der Erde und anderer Planeten beobachtet wurde und „turbulent inward pinch“ (turbulente nach innen gerichtete Einschnürung) genannt wird.
Die Erde und ihre Planeten können mit ihrem magnetischen Dipolfeld heiße ionisierte Materie, also Plasma, auch bei hohem Druck in ihrer Nähe konzentrieren.
Durch Fluktuationen in der Sonnenaktivität werden die ionisierten Teilchen Richtung Erde getrieben, wo sich die Teilchendichte erhöht.

Für die Verdichtung macht man Turbulenzen verantwortlich, die von den Schwankungen im Sonnenwind erzeugt werden und in einem magnetischen Dipolfeld nicht zu einer diffusen Ausbreitung, sondern zu einem Einfang der Teilchen führt, zu einem Maximum der Teilchendichte.
Im Rahmen der Voyager II Mission wurde in den späten 1980er Jahren entdeckt, dass Plasma durch Jupiters Magnetosphäre eingeschlossen wird.
Dies inspirierte den damals an den Bell Laboratories in den USA beschäftigten Physiker Akira Hasegawa, diesen Effekt für die Kernfusion zu nutzen und ein Fusionsplasma mit dem Feld eines magnetischen Dipols einzuschließen.
Dipolmagnete könnten Plasmen effizienter und mit schwächeren Magnetfeldern einschließen als dies in Tokamaks oder anderen Fusionsvorrichtungen der Fall ist.

Im Fachmagazin “Nature Physics” berichten nun Forscher um Michael Mauel von der Columbia Universität in einem Artikel vom 24.01.2010 über die ersten Laborexperimente, bei denen ein starker schwebender supraleitender Magnet dazu verwandt wird, ein extrem heißes Plasma einzuschließen.