Alles über Fusionskraftwerke – Wie sind Sie aufgebaut ? Funktionsweise, Standorte etc,

Ein Fusionskraftwerk ist eine theoretische Form der Energieerzeugung, bei der Wasserstoff-Isotope (in der Regel Deuterium und Tritium) verschmolzen werden, um Helium und Energie zu erzeugen. Im Gegensatz zu Kernkraftwerken, die auf der Spaltung von Atomen beruhen, die eine Menge radioaktiver Abfälle erzeugen, produzieren Fusionsreaktoren nur einen kleinen Teil der radioaktiven Abfälle. Fusionsreaktoren gelten daher als potenziell sicherere und sauberere Form der Energieerzeugung als herkömmliche Kernkraftwerke.

Aufbau eines Fusionskraftwerks:

Ein Fusionskraftwerk besteht aus drei Hauptkomponenten: der Fusionsreaktionskammer, den Magnetspulen und dem Brennstoffsystem.

Die Fusionsreaktionskammer: In der Fusionsreaktionskammer werden die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium in einem Plasma, einem elektrisch geladenen Gas, verschmolzen. Dieses Plasma muss auf eine Temperatur von mindestens 100 Millionen Grad Celsius erhitzt werden, um die Kernfusion zu ermöglichen. Die Hitze des Plasmas wird durch Laser oder Magnetfelder erzeugt.

Die Magnetspulen: Die Magnetspulen erzeugen ein starkes Magnetfeld, das das Plasma einschließt und in Position hält. Das Magnetfeld muss ausreichend stark sein, um das Plasma vom Kontakt mit den Wänden der Fusionsreaktionskammer fernzuhalten.

Das Brennstoffsystem: Das Brennstoffsystem besteht aus einer Vorrichtung, die das Deuterium und Tritium in die Fusionsreaktionskammer einführt, sowie einem System, das die Reaktionsprodukte aus der Kammer entfernt.

Arten von Fusionsreaktoren:

Es gibt verschiedene Arten von Fusionsreaktoren, darunter:

1. Tokamak: Ein Tokamak ist derzeit die gebräuchlichste Art von Fusionsreaktor. Er besteht aus einem torusförmigen Behälter, in dem das Plasma aufbewahrt wird. Die Magnetspulen erzeugen ein Magnetfeld, das das Plasma einschließt und in Position hält.
2. Stellarator: Ein Stellarator ist ein Fusionsreaktor, der das Plasma mithilfe eines Magnetfelds in einem spiralförmigen Pfad hält. Der Stellarator ist komplexer als ein Tokamak, aber er kann ein stabileres Plasma erzeugen.
3. Inertial Confinement Fusion (ICF): Bei ICF wird ein kleines Ziel aus Deuterium und Tritium mit Laserstrahlen oder anderen Methoden bestrahlt, um es auf die notwendige Temperatur zu bringen. Das Ziel erzeugt dann ein kurzes, intensives Plasma, das zur Energieerzeugung verwendet wird.
4. Magnetohydrodynamische (MHD) Fusionsreaktoren: Ein MHD-Fusionsreaktor ist ein hypothetischer Fusionsreaktor, der auf einer Kombination von Magnetfeldern und Plasmaströmungen beruht, um die Fusion aufrechtzuerhalten.

Vorteile von Fusionsreaktoren:

1. Kein CO2-Ausstoß: Fusionsreaktoren produzieren keine Treibhausgase wie Kohlenstoffdioxid, die zur Erderwärmung beitragen. Daher können sie helfen, den Klimawandel zu bekämpfen.
2. Brennstoffe sind reichlich vorhanden: Fusionsreaktoren nutzen Wasserstoff als Brennstoff, und Deuterium, eine Isotop von Wasserstoff, ist in praktisch unbegrenzten Mengen in den Ozeanen vorhanden. Tritium, ein weiteres Isotop von Wasserstoff, kann aus Lithium gewonnen werden, das ebenfalls in großen Mengen verfügbar ist.
3. Geringere radioaktive Belastung: Im Gegensatz zur Kernspaltung erzeugt die Fusion keine langlebigen radioaktiven Abfälle. Die erzeugten Partikel sind kurzlebiger und ihre Strahlung klingt schneller ab.
4. Sicherheit: Fusionsreaktoren haben ein inhärentes Sicherheitsmerkmal. Im Falle eines Störfalls oder eines Ausfalls der Energieversorgung würde die Reaktion einfach stoppen und das Risiko einer nuklearen Katastrophe wäre minimiert.
5. Hohe Energiedichte: Die Energie, die durch die Fusion freigesetzt wird, ist sehr hoch. Ein kleiner Teilchenbeschleuniger kann genug Energie erzeugen, um eine Stadt zu versorgen.
6. Hohe Effizienz: Fusionsreaktoren haben eine viel höhere Effizienz als Kernspaltungsreaktoren. Bei der Kernspaltung geht ein Teil der Energie verloren, da der Reaktor durch die Freisetzung von radioaktiven Abfällen und Wärmeenergie abgekühlt werden muss.
7. Weniger Platzbedarf: Fusionsreaktoren sind kompakter als Kernreaktoren, da sie keine großen Mengen an Brennstoff benötigen. Dadurch kann der Platzbedarf für den Bau von Fusionsreaktoren im Vergleich zu Kernreaktoren deutlich reduziert werden.
8. Hohe Verfügbarkeit: Fusionsreaktoren haben das Potenzial, eine hohe Verfügbarkeit aufzuweisen, da die Brennstoffe reichlich vorhanden sind und keine langen Stillstände für Brennstoffwechsel erforderlich sind.

Diese Vorteile machen Fusionsreaktoren zu einem vielversprechenden Energiesystem der Zukunft, das zur Bekämpfung des Klimawandels beitragen und die weltweite Energiesicherheit erhöhen könnte.

Nachteile von Fusionsreaktoren:

1. Komplexe Technologie: Fusionsreaktoren sind sehr komplexe Technologien, die noch in der Entwicklungsphase sind. Es gibt viele Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, wie zum Beispiel die Schaffung eines Magnetfelds, das stark genug ist, um den Fusionsprozess aufrechtzuerhalten, und die Entwicklung von Materialien, die den extremen Temperaturen und Strahlenbelastungen im Reaktor standhalten können.
2. Hohe Kosten: Der Bau und Betrieb von Fusionsreaktoren erfordert enorme Investitionen in Forschung, Entwicklung und Infrastruktur. Derzeit sind Fusionsreaktoren teurer als herkömmliche Kernreaktoren und erfordern enorme finanzielle Ressourcen.
3. Brennstoffbeschaffung: Fusionsreaktoren benötigen als Brennstoff Deuterium und Tritium, die beide aus Wasser gewonnen werden können. Da jedoch nur ein kleiner Teil des Wassers auf der Erde Deuterium enthält, muss es aus großen Mengen von natürlichem Wasser extrahiert werden. Tritium muss synthetisch erzeugt werden, was zusätzliche Kosten und technische Herausforderungen mit sich bringt.
4. Radioaktiver Abfall: Obwohl Fusionsreaktoren im Vergleich zu Kernspaltungsreaktoren nur geringe Mengen an radioaktivem Abfall produzieren, gibt es dennoch Abfallprodukte, die sicher gelagert und entsorgt werden müssen.
5. Sicherheitsrisiken: Obwohl Fusionsreaktoren im Vergleich zu Kernspaltungsreaktoren sicherer sind, gibt es immer noch Risiken im Zusammenhang mit dem Betrieb und der Wartung des Reaktors. Ein versehentliches Freisetzen von Tritium, einem radioaktiven Isotop, kann zu Umweltverschmutzung und Gesundheitsrisiken führen.
6. Waffenproliferation: Deuterium und Tritium werden auch in Kernwaffen verwendet, und die Fähigkeit, diese Materialien in großen Mengen zu produzieren, könnte die Verbreitung von Atomwaffen fördern.

Standorte bereits bestehender Fusionskraftwerke :

Aktuell gibt es keine kommerziellen Fusionskraftwerke, sondern nur Fusionsreaktoren, die in der Forschung eingesetzt werden, um das Konzept der Fusionsenergie zu erforschen und zu entwickeln. Einige der fortschrittlichsten Fusionsreaktoren sind:

1. ITER: Das Internationale Thermonukleare Experimentreaktor ist ein Projekt, das von der Europäischen Union, den USA, Japan, China, Russland, Südkorea und Indien finanziert wird. Der Fusionsreaktor befindet sich in Südfrankreich und soll 2025 fertiggestellt werden. ITER ist der größte Fusionsreaktor der Welt und soll zeigen, dass es möglich ist, eine kontrollierte Fusionsreaktion zu erzeugen, die mehr Energie produziert, als für den Betrieb des Reaktors benötigt wird.
2. Wendelstein 7-X: Dieser Fusionsreaktor wird vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Deutschland betrieben. Er verwendet das Stellarator-Design, das aufgrund seiner besonderen Form ein sehr stabiles Magnetfeld erzeugt. Der Reaktor ist seit 2015 in Betrieb und hat gezeigt, dass das Stellarator-Design für die Fusionsenergie vielversprechend ist.
3. EAST: Der Experimental Advanced Superconducting Tokamak ist ein Fusionsreaktor, der von China betrieben wird. Er befindet sich in Hefei und nutzt das Tokamak-Design. EAST ist der erste Fusionsreaktor in China und hat bereits wichtige Fortschritte bei der Erforschung der Fusionsenergie erzielt.
4. JT-60SA: Der JT-60SA-Fusionsreaktor wird in Japan betrieben und nutzt ebenfalls das Tokamak-Design. Er befindet sich im National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology in Naka. Der Reaktor soll zeigen, dass das Tokamak-Design für die Fusionsenergie geeignet ist.

Obwohl es noch keine kommerziellen Fusionskraftwerke gibt, sind die Fortschritte bei der Erforschung der Fusionsenergie vielversprechend. Es bleibt jedoch abzuwarten, wie lange es dauern wird, bis die Technologie ausgereift genug ist, um Fusionskraftwerke in großem Maßstab zu betreiben.