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Kernfusion
Fazit: Warum die Sonne nachbauen, was soll das bringen?
Wir haben schon eine Sonne, wir brauchen ihre Energie nur auf zu fangen und zu nutzen, wir sind nicht darauf angewiesen eine neue Sonne auf der Erde nach zu bauen.
Der Aufbau von Kernfusionsreaktoren und vor allem der dazu nötigen Begleittechnologien ist extrem teuer, komplex und kompliziert, die Kosten dafür können von natürlichen Firmen nicht ohne Staatshilfe realisiert werden. Die Laufzeiten dieser Reaktoren sind relativ kurz und am Ende verbleibt ein gigantischer Schrotthaufen der teilweise verstrahlt ist. Die Wiederverwendung des Materials ist praktisch nur über Dekonterminationsmaßnahmen, Einschmelzung und neu Produktion möglich. Der Aufbau und der Abriss bzw. das Recycling solcher Anlagen setzen beim Aktuellen Energiemix enorme Mengen an CO2 frei. Ein echter Durchbruch ist noch nicht erreicht worden, bis jetzt funktioniert alles nur im Labor. Der Aufbau tatsächlich funktionierender Reaktoren wird mindestens noch 35 – 75 Jahre in Anspruch nehmen. Dann würden wir Tausende diese hyperteuren Riesenmaschinen in bewohntem Gebiet benötigen, für die wir aber dann immer noch nicht ausreichend grüne Energie hätten und mit diesem Ausbau die Umwelt extrem belasten würden.
Die Erzeugung von Energie über thermosolare Kraftwerke ist einfacher, im hier und jetzt sofort verfügbar, günstiger und die Laufzeiten sind nicht nur extrem viel länger sondern durch die einfache Wartung und durch ein 90%iges Recycling, praktisch unendlich. Die einfache Technik ist relativ CO2 arm errichtbar.
Es ist völlig unvernünftig ja sogar dumm und verschwenderisch Geld der arbeitenden Bevölkerung in Techniken zu investieren die eigentlich gar nicht gebraucht werden und viel weniger Leistung und auch CO2 Ersparnis bringen als Sonnenkraftwerke.
Forschung ist wichtig, doch bitte nicht nur um Technikkonzerne bei ihren exponentiellen Wachstumsplänen zu unterstützen mit denen sie aber die Erde noch weiter erheblich erhitzen würden, bis zu einem weit entfernten “Möglicherweise-Erfolg”.
Der Wendelstein 7-X in Greifswald wurde als Durchbruch vorgestellt, doch dieses Technikgewirr bringt keine echte Leistung zustande.
Als ich ein Kind war erzählte man mir von der Kernfusion, sie würde in 30 Jahren die Kernenergie ablösen, sagte man mir. Dann war ich 35 Jahre alt und man erzählt mir nun sei es bald so weit, nur noch 30 Jahre dann hätten wir durch Kernfusion Energie ohne Ende… jetzt bin ich 63 Jahre alt und nun will man mir doch tatsächlicher schon wieder erzählen in 30 Jahren sei es endlich so weit. Doch ich denke das wird man mir auch noch erzählen wenn ich 90 Jahre alt bin.
Kernfusion detailliert
Wie es geht, zeigt uns die Sonne täglich, die ständig Wasserstoffatome zu Helium verschmilzt und so praktisch alles Leben auf der Erde mit Energie versorgt.
Für den Betrieb künftiger Kernfusionsreaktoren braucht es seltene Wasserstoffisotope. Hergestellt werden die aus dem Batterierohstoff Lithium oder aus Meerwasser.
Der jüngste Versuch in einem US-Labor, bei dem erstmals mehr Fusionsenergie erzeugt wurde, als zum Start der Reaktion eingebracht werden musste, nährte Hoffnungen, das Ende der Energieprobleme könnte nah sein. Ein riesiger Laser hat Wasserstoff zu Helium verschmolzen – und zwar so, dass dabei mehr Energie herauskam, als an Laserenergie hineingesteckt wurde. Eine Weltpremiere für die Kernfusion.
Fehlende Neutronen
Der Kern eines Wasserstoffatoms besteht aber leider nur aus einem einzigen Proton. Helium hat jedoch neben zwei Protonen auch noch zwei Neutronen in seinem Kern. Der Prozess der Entstehung von Helium aus Wasserstoff besteht also aus mehreren Schritten, die eine Umwandlung von Protonen zu Neutronen beinhaltet.
Deuterium oder „schwerer Wasserstoff“ ist ein natürliches Isotop des Wasserstoffs. Sein Atomkern besteht aus einem Proton und einem Neutron. Natürlich vorkommender Wasserstoff enthält einen Deuteriumanteil von rund 0,015 Prozent. Wasser mit Deuterium statt des originalen Wasserstoffs wird schweres Wasser genannt. Es kann mit Zentrifugen aus Meerwasser gewonnen werden.
Tritium oder „überschwerer Wasserstoff“ ist ein Isotop des Wasserstoffs. Sein Atomkern besteht aus einem Proton und zwei Neutronen. Tritium ist die schwerste und die einzige radioaktive Variante des Wasserstoffs; es besitzt eine Halbwertszeit von 12,3 Jahren. Um Tritium zu produzieren, braucht es eine Kernreaktion. Rohstoff dafür ist ausgerechnet das Metall Lithium. Bestrahlt man es mit Neutronen, entsteht neben Helium auch das wertvolle Tritium. Das ist allerdings sehr unbefriedigend, es wäre teuer, umständlich, erforderte Kernmaterial und entsprechend geschützte Anlagen die Atommüll produzieren würden. Glücklicherweise entsteht auch in Fusionsreaktoren Neutronenstrahlung, um Tritium aus Lithium zu erzeugen. Aktuell verfolgt man deshalb die Idee, die Innenräume von Fusionsreaktoren mit Platten aus Lithium auszukleiden. Derzeit wird dafür oft Kohlenstoff in Form von Graphit verwendet, der allerdings abgetragen wird und das Fusionsgas kontaminiert. Für die Zukunft sind gekühlte Boxen mit lithiumhaltigem Material angedacht, die ein Absaugen des entstehenden Tritiums erlauben. Die Neutronenstrahlung ist allerdings nicht stark genug, um in der Praxis genügend Tritium herzustellen. Es braucht also zusätzlich noch ein Material wie Beryllium, das die Neutronenstrahlung verstärken kann. Ob das wie gedacht funktioniert steht noch in den Sternen.
Des weiteren ist für die Fusionstechnik die Verschmelzung von Deuterium und Tritium am günstigsten. Dabei fällt ein überschüssiges Neutron an, das als Strahlung aus dem System entweicht.
Das richtige Lithium-Isotop
Dass ein Bestrahlen von Lithium automatisch Tritium erzeugt, ist nicht ganz korrekt. Genau genommen braucht es dazu ein bestimmte Lithium-Isotop, nämlich 6Li. Glücklicherweise liegt Lithium in der Natur als Gemisch der Isotope 6 und 7 vor, wobei 6Li etwas mehr als sieben Prozent ausmacht. Tatsächlich kann auch 7Li in Tritium umgewandelt werden. Eine Tatsache, die bei ersten US-amerikanischen Wasserstoffbombentests auf dem Bikini Atoll auftrat wo dieser Effekt nicht einkalkuliert wurde und so die Explosion der Bombe Bravo zweieinhalbmal so heftig war wie vorhergesagt.
Für Fusionsreaktoren ist dieser Prozess der Tritiumproduktion allerdings nicht geeignet. Der Anteil an 6Li müsste also auf einen zweistelligen Prozentanteil erhöht werden, was eine technische Herausforderung darstellt, an der aktuell noch immer geforscht wird.
Der weltgrößte Versuchskernreaktor Iter, der gerade in Südfrankreich gebaut wird, ist darauf ausgelegt, einen Verstärkungsfaktor von zehn zu erreichen. In Betrieb gehen soll er frühestens 2035. Doch Iter wird keinerlei Energie erzeugen.
Konkurrenzlose Energiedichte
Fusion liefert große Energiemengen aus geringen Mengen Brennstoff, was das Gerücht der endlos verfügbaren Energie erst aufbrachte. Ein Gramm eines Deuterium-Tritium-Gemischs soll in Fusionsreaktoren eine Energieausbeute wie das Verbrennen von zwölf Tonnen Kohle ermöglichen. Ein 1 Gigawatt Kraftwerk verbrauchen über 2200 Tonnen Kohle am Tag. Der Bedarf an Deuterium-Tritium-Gemisch für ein Kernfusionskraftwerk würde also würde also 183 Gramm täglich betragen. Bei den rechnerisch benötigten ~5000 Kraftwerken benötigten wir also so etwa eine Tonne des Deuterium-Tritium-Gemischs täglich verbrauchen.
Auch wenn nichts auf der Welt unendlich ist, die Verfügbarkeit von Fusionsbrennstoff ist nicht die größte Hürde für die Energiegewinnung aus Kernfusion, sofern die Produktion von Tritium aus Lithium in Fusionsreaktoren gelingt. Die wirklichen Hindernisse liegen ganz woanders.
Die extrem hohen Investitionskosten
Mit den ersten funktionierenden Demo-Reaktoren können wir frühestens 2060 rechnen. Diese würden aber erst einmal nichts produzieren, sondern nur gut aussehen.
Sollten sich die Demo-Reaktoren bewähren, könnten schätzungsweise etwa 20 Jahre darauf einige wenige Reaktoren der ersten Generation folgen, die von privater Hand mit dem Ziel gebaut werden, Energie zu gewinnen. Die darauf folgenden Reaktoren der zweiten Generation wären günstiger und effizienter müssten dann aber in tausendfacher Ausfertigung gebaute werden, was jedoch extrem viel Geld verschlingen würde.
Der Wissenschaftler Professor Niek Cardozo und sein Team ging 2016 davon aus, dass rund zwei bis vier Billionen US-Dollar an Investments notwendig seien nur um diese Art der Fusionsenergie zu entwickeln. Das sei sehr gefährlich für diese Unternehmen, denn diese müssten die hohen Baukosten, inklusive Zinsen, für diese Technologie aufbringen, bevor sich diese im großen Stil bewährt hat.
Tausende Reaktoren notwendig
Zwischen den Reaktorgenerationen könnte auch wieder viel Zeit vergehen, in denen es keine oder kaum Lerneffekte gibt. So setzt man zum Beispiel eine Bauzeit von mindestens zehn Jahren an, so lange dauert es heute, ein traditionelles Kraftwerk in Betrieb zu nehmen. Beim Bau wird man deshalb auch an logistische Grenzen stoßen. Um im Jahr 2100 ein Drittel der elektrischen Energie aus Fusion zu erzeugen, müssten wir jedoch schon ab 2080 jährlich 250 Reaktoren bauen, schreibt Professor Niek Lopes Cardozo in einem wissenschaftlichen Fachbeitrag. Ein einziger Fusionsreaktor mit einem Gigawatt Leistung würde heute ca. 10 bis 20 Milliarden Euro verschlingen und runde 10-20 Jahre dauern.
Zum Vergleich: Der Bau des Noor Sonnenkraftwerk dauerte nur drei Jahre und lieferte sofort Energie. Zwei solcher Kraftwerke können 1,2 Gigawatt produzieren und kosten dann nur rund 4,5 Milliarden Euro.
Unendlich Energie?
"Unendlich Energie", wie oft proklamiert, liefern Fusionsreaktoren nicht. Der Output eines Fusionskraftwerks wird wohl bei etwa einem Gigawatt liegen. Ein Gigawatt wäre das was wirtschaftlich Sinn machen würde. Kleinere, modulare Reaktoren würden sich nur rentieren, wenn es große Fortschritte in Nachbardisziplinen gäbe wie etwa bei der Forschung an Hochtemperatur-Supraleitern, die für Magnete im Tokamak-Reaktor benötigt werden.
Genug Brennstoff ist verfügbar
Die Fusionsreaktoren würden Deuterium und Tritium als Brennstoff brauchen. Die beiden Wasserstoff-Isotope sind auf der Erde hinreichend vorhanden. Deuterium kommt in Meerwasser vor und kann aus diesem mit Zentrifugen gewonnen werden. Tritium wiederum könnte aus Lithium im Reaktor selbst generiert werden.
Strahlung kein großes Problem
Um gefährlichen Abfall müsste man sich bei Kernfusionskraftwerken weniger Sorgen machen. Statt über zigtausende Jahre hinweg strahlendem Atommüll entsteht nur harmloses Helium. Nur bestimmte Gebäudeteile, wie die Innenseite der Brennkammer, würden radioaktiv. Diese Strahlung würde aber bereits nach wenigen Jahrzehnten abklingen.
Derzeit wird sogar an Materialien geforscht, die weniger Strahlung aufnehmen. Im Versuchsreaktor Iter kommt ein spezieller Stahl zum Einsatz, der bereits nach 50 Jahren relativ wenig strahlen soll und die Strahlung könnte schon nach hundert bis zweihundert Jahren unter amtlichen Grenzwerten liegen.
Echte wirtschaftliche Nutzung noch in weiter Ferne
Die ständig genannten 30 Jahre bis zur nutzbaren Fusionsenergie, sie sind immer noch lange nicht in Sicht. Der Physiker Georg Harrer hält es zwar für realistisch, dass Fusionsreaktoren bis 2100 so viel Energie bereitstellen wie Atomkraftwerke heute, also etwa zehn Prozent des Strombedarfs, die Mehrheit ernsthafter Forscher jedoch rechnen da eher mit weiteren 100 Jahren. Mit einer möglichen wirtschaftlich sinnvollen Nutzung sollen sogar noch bis zu 200 Jahre vergehen. Es gibt einfach noch zu viele Unbekannte.
Die neue Lasertechnik
Für die Fusion braucht man große und komplexe Maschinen. Sie sind teuer, sie dauern Jahre, um gebaut zu werden und so hat es eben gedauert, bis man auch bei der Laserfusion eine Maschine gebaut hatte, die groß und leistungsfähig genug war, um die Fusion zu demonstrieren. National Ignition Facility, so heißt sie, kurz NIF. Der stärkste Laser der Welt, rund vier Milliarden Dollar teuer und groß wie ein Fußballstadion. Im Frühjahr 2007 ist die NIF fast fertig. Die Laserblitze sind extrem stark, im Bereich von Terawatts, dies aber für eine sehr kurze Zeit. Von allen Seiten feuern die 192 Lichtblitze auf eine Kapsel, in der ein ca. 1,6 Millimeter großes Kügelchen aus Deuterium und Tritium steckt. Die Laserstrahlen sollen den Brennstoff so stark komprimieren und erhitzen, dass er zündet. Es dauerte jedoch bis zum 5. Dezember 2022 bis dies zum ersten Mal gelang.
Das Einzige was man seit 2022 sicher weiß ist, dass es grundsätzlich möglich ist auf diese Weise Energie zu gewinnen, dies war davor noch nicht einwandfrei erwiesen.
Der Weg zum Reaktor ist auch hier noch weit.
Die erste Euphorie w groß, doch können die Laser von NIF nur ein Brennstoffkügelchen am Tag ins Visier nehmen. Das deutsch amerikanische Unternehmen Focused Energy will das zehnmal pro Sekunde schaffen. Dabei soll jedes Kügelchen nicht nur einmal beschossen werden, sondern doppelt, mit zwei aufeinander folgenden Lichtsalven. Die erste soll die Deuterium-Tritium-Kügelchen zusammenpressen, auf weniger als ein Hundertstel ihres Volumens. Dann soll die zweite Salve den Brennstoff zünden. Die Kügelchen sind jedoch komplexe Gebilde, sehen aus wie ein Pyramidenstumpf. Fast eine Million Brennstoffkügelchen pro Tag müsste ein Reaktor in etwa verbrauchen. Gigantische Reaktoren müssten in teilweisen Wohngebieten errichtet werden, mit riesigen Lasern. Die Massenfertigung von Abermillionen Brennstoffkügelchen muss man erst noch entwickeln. Man würde hierbei zudem eine nukleare Anlage für die Herstellung des Tritiums benötigen die dann auch wieder Atommüll produzieren würde. Auch der Umgang mit den Brennstoffkügelchen dürfte alles andere als einfach werden. Wenn zehnmal pro Sekunde ein Ziel in einer Kammer beschossen wird, während eine Zehntelsekunde vorher gerade eine thermonukleare Explosion in dieser Kammer stattgefunden hat, ist das eine gewisse Herausforderung. Laser, die zehnmal pro Sekunde ultrastarke Lichtblitze abfeuern, müssen ebenfalls erst noch entwickelt werden. Auch die Abführung und Nutzung der entstehenden Hitzeenergie ist auch noch völlig ungeklärt. Materialien die langfristig einem ein Millionen Grad heißem Plasma standhalten, dieses abführen und verlustfrei weiterleiten kann, muss auch erst noch entwickelt werden Die Kosten der Entwicklung für diese Reaktoren und Nebenproduktionen sind hypergigantisch, es wird mit bis zu 10 Billionen Dollar gerechnet und mit weiteren Gigatonnen von produziertem CO2.
Klimaziele und die Nutzung
Wir müssten letztendlich all diese Kraftwerke und Fertigungsanlagen möglichst CO2-frei bauen, wenn wir einigermaßen irgendwelche Grad-Ziele einhalten wollen, wozu wir im Grunde schon bei der Entwicklung hinreichend grüne Energie benötigen würden.
Weil auch diese Fusionsreaktoren erst einmal Wärme und nicht elektrische Energie produzieren werden, könnten diese ebenfalls nur in einer tatsächlich weit entfernten Zukunft direkt genutzt werden.
Zunächst könnten sie genutzt werden um Meerwasser zu entsalzen, für Fernwärme, zur Wasserstoffproduktion oder gar als Antrieb für die geplante unnütze Marsmission. Diese gehört, meiner Meinung nach, auch in den Bereich der Sience-Fiction-Phantasien a la Starwars. Man will dort Rohstoffe generieren und zur Erde schaffen. Aber wie? Kernfusion hin oder her, weiterhin mit modernisierten chinesischen Feuerwerksraketen? Und wozu? Wir haben alles hier auf der Erde was wir zum Leben benötigen und das in hinreichendem Maße. Wir müssen nur endlich einmal das Recycling, das heißt die Rückentwicklung von in Produkten gebundenen Rohstoffen entwickeln, bevor wir uns in Träumereien über interplanetares Reisen verlieren. Welche wir ohne diese wichtige Entwicklungsstufe, des Begreifens unseres eigenen Periodensystems und dessen Handhabung, in der Produktion zwecks reverse Engineering, ohnehin nicht bewältigen können. Wir würden uns nur in einer endlosen Müllschleife verlaufen die sich über die Erde, den Meeren bis hin zum Weltraum hinziehen würde und die Gefahr, dass wir die Erde mit heran geschafftem Material noch mehr verseuchen, als mit dem hier künstlich hergestellten, wäre groß. Des weiteren sollten wir uns endlich von den ewigen Weiterentwicklungen von Schubsystemen entfernen und nach einen Antrieb der den Anforderung von Weltraumreisen wirklich gerecht wird. Wir sollten zum Beispiel eine künstliche Gravitation, via komprimierter Masse die sich mit ultrahoher Geschwindigkeit dreht, schaffen mit welcher wir den Raum beugen können.
Die Erderwärmung stoppen
Die aktuellen Klimaziele müssen wir, nach dem derzeitigen Stand der Entwicklung, so oder so ohne Kernfusion erreichen. Doch auch in 100 bis 200 Jahren schadet es nicht, eine weitere saubere Energiequelle zur Verfügung zu haben. Deshalb sollten wir auf jeden Fall die Möglichkeit der Kernfusion weiter verfolgen. Allerdings sollte sich diese Forschung aus Spenden versorgen und die Kosten eben nicht der Allgemeinheit, der durch diese Entwicklung kein sichtbarer Vorteil entsteht, aufgebürdet werden. Wir sollten uns darüber im Klaren sein, dass die Entwicklung von Kernfusionsreaktoren nur den entsprechenden Technikkonzernen echte Vorteile beschert. Sie sind extrem teuer, die Laufzeiten sind auf Grund der erheblichen Anwendung von komplizierter und deshalb anfälliger Technik auf maximal 20-30 Jahre begrenzt. Es ist Brennstoff nötig der ebenfalls über komplexe Mechanismen erzeugt werden muss. Insgesamt bedeutet dies sehr viele Gewinnmöglichkeiten für Technikkonzerne. Es gibt jedoch kaum eine Anwendung die wir nicht anders, sehr viel günstiger und effektiver bedienen könnten.
Der Individualität von Staaten wegen, sollte man nicht noch eine zusätzliche Verseuchung der Atmosphäre, die ja bekanntlicher weise von allen genutzt wird, in Kauf nehmen.
Die Größe ist fundamental
Die extrem gigantische Baustelle von ITER in Cadarache (Frankreich) zeigt, dass die EU unbedingt Teil der Kernfusionsforschung sein möchte und was auf uns an Kosten zu kommen würde, wenn solche Projekte zum Standard würden. Aber, wie wir seit neuestem sicher wissen werden diese Projekte ja aus ganz anderen Gründen geführt. Auch Japan ist übrigens auch schon wieder hoch interessiert am Kernfusionsprojekt. Der Kernfusionsreaktor JT-60SA in Japan ist der größte seiner Art, der je gebaut wurde, Doch auch er wird niemals Leistung erbringen.
Das gigantomanische Monster ITER im Bau zeigt die extremen Dimensionen von Geldverschwendung für Anlagen die niemals Energie erzeugen werden.
Nachtrag:
Das 3,5 Milliarden Dollar teure NIF 2009 funktioniert nicht!
Dies meldet der Deutschlandfunk am 29. Februar 2024. Das Fusionsprojekt kämpfe mit jeder Menge Schwierigkeiten sagen die Betreiber, die Voraussagen die auf erste Versuche mit kleineren Lasern und Computersimulationen basieren seien zu optimistisch gewesen. „Zwar erreicht die Anlage die zur Zündung nötige Temperatur von 50 Millionen Grad, und es verschmelzen auch schon Wasserstoffkerne zu Helium. Doch da die Brennstoffkapseln zu früh auseinanderreißen, können sie nicht komplett zünden. Und ob und wann das passieren wird, ist noch nicht absehbar. Und selbst wenn es gelingt: Der endgültige Durchbruch für ein Fusionskraftwerk auf Laserbasis wäre das noch nicht. Denn anschließend müsste man untersuchen, ob sich das Ganze überhaupt in eine wirtschaftliche Technologie umsetzen ließe“.
Ein Fusionskraftwerk auf Laserbasis liegt in weiter Ferne
Blick in die Zielkammer der National Ignition Facility NIF (Philip Saltonstall / Lawrence Livermore National Laboratory)
Weiter offenbaren die Betreiber nunmehr einen ganz neuen Aspekt:
Vor allem aber ist NIF essenziell für das US-Atomwaffenprogramm. Schließlich kann er jene Bedingungen simulieren, wie sie bei der Explosion einer Wasserstoffbombe herrschen. Damit hilft der Riesenlaser, das Arsenal der USA funktionsfähig zu halten, und zwar ohne die mittlerweile verbotenen Kernwaffentests. „Wir haben mit NIF viele Versuchsreihen gemacht, um waffenphysikalische Fragen zu klären. Aufgrund der Geheimhaltung kann ich nicht ins Detail gehen. Doch auf jeden Fall konnte NIF viele Fragen beantworten.“
Der militärische Aspekt war der Hauptgrund für den Bau der 3,5 Milliarden Dollar teuren Anlage, das war von Anfang an klar. Und in dieser Hinsicht ist NIF für seine Betreiber offenbar ein voller Erfolg.
Es geht hier also überhaupt nicht um Versorgung sondern vielmehr um Auslöschung. Was wieder einmal mehr beweist, dass unsere Regierungsführer auch weiterhin schwer auf Krawall gebürstet sind. Offenbar denkt man ganz real über eine Kriegsführung mit Wasserstoffbomben nach, da diese ja die Erde nicht dauerhaft verstrahlen würden.
Von Kindern die andere Kinder in der Schule zur Gewalt gegeneinander aufrufen, um Gebiete abzustecken weil sie dort Geld machen wollen, würde man zurecht sagen, dass diese Kinder A-sozial sind, den Schulbetrieb erheblich stören und deshalb, der normalen Kinder wegen, der Schule verwiesen werden müssen.
Wir sollten also diesbezüglich einmal genauer nachdenken wie wir die Dinge in Zukunft handhaben möchten.
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