Dem Plasma einheizen

Die beiden großen Probleme bei der Kernfusion sind das Erhitzen des Plasmas und der Einschluss. Um so heißer das Plasma wird, um so schneller sich die Teilchen darin bewegen, um so schwieriger wird es das Plasma stabil einzuschließen. Aber zunächst stellte sich die Frage, wie ein Plasma überhaupt auf die nötigen Temperatuen bekommt.

Eine einfache Möglichkeit ein Plasma zu heizen, ist Strom. Ein Plasma besteht aus Ladungsträger und kann deswegen Strom leiten. Zwei Elektroden mit einer Spannung im Plasmabehälter können einen Strom fließen lassen. Die strömenden Ladungsträger übertragen dabei ihre Energie durch elektrostatische Kräfte auf den Rest des Plasmas. Der gleiche Strom hilft dabei, das Plasma einzuschließen, denn um jeden fließenden Strom herum bildet sich ein Magnetfeld.

Wenn zwei Ströme parallel fließen, dann entsteht eine Kraft zwischen beiden, die sie aufeinander zu bewegen lässt. Das ist äußerst praktisch, denn so schnürt sich ein Plasma von allein ein, wenn ein Strom durch fließt. Das alles passiert in einem beinahe-Vakuum, was bekanntlich ein guter Isolator ist. Wenn also nur genug Strom durch das Plasma fließt, dann sollte es sich aufheizen und von allein im freien Raum zu einem dichten Paket zusammen schnüren und dabei Kernfusion möglich machen. Das alles in einem kleinen Experiment, das auf eine Werkbank passt.

Die Anfangszeit: Die Physik macht nicht mit

In der Anfangszeit der 1950er Jahre schien das selbst mit kleinen Geräten eine lösbare Aufgabe zu sein. Ein Strom, der mit einer Spannung durch das Plasma getrieben wird, erzeugt ein eigenes Magnetfeld, durch das sich das Plasma selbst einschnürt. Aber es stellten sich bald Probleme mit diesen Pinch-Experimenten ein. Die Energieverluste waren um Größenordnungen höher, als vor den Versuchen vermutet worden war. Es wurden viel mehr Teilchen aus dem Plasma geschleudert als zuvor angenommen. Die Einschnürung funktionierte nicht so gut wie erhofft.

Der Grund waren Instabilitäten. Wo der Strom im Plasma nicht vollständig gerade verläuft, entsteht ein Anteil im Magnetfeld, der diesen Knick im Strom vergrößert. Bald darauf gab es Versuche, diese “Kink-Instabilität” auszugleichen. Es wurden Magnetfelder von außen benutzt, um das Plasma zu stabilisieren, anstatt sich nur auf das Magnetfeld zu verlassen, das vom Plasma selbst erzeugt wird.

Es wurden verschiedene Konzepte entwickelt, aber im Laufe der 50er und 60er Jahre wurde immer klarer, dass Fusionsexperimente auf der Werkbank keine brauchbaren Energiemengen freisetzen würden. Dadurch verschwand auch der Optimismus, dass schon in kurzer Zeit die ersten Fusionskraftwerke gebaut würden. Je größer die Anlagen sind, desto mehr Entwicklungszeit brauchen sie und desto länger dauert der gesamte Entwicklungsprozess.

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Kommentare (8)

  1. #1 Rüdiger Kladt
    26. Februar 2016

    Ich bin schon lange der Meinung, dass wir solche Projekte auch alleine durchführen sollten, da es auf europäischer Ebene zu große Verzögerungen gibt, die nur Wettbewerbern nutzen. Prominentes Beispiel ist hierfür Galileo. Im europäischen Hickhack um Jahrzehnte verschleppt, wurden gleichzeitig mit GPS Milliarden verdient und sichert Arbeitsplätze und Technologieführerschaft. Woanders!

  2. #2 MisterX
    26. Februar 2016

    Hallo, danke für diesen ausführlichen Artikel, eine Seltenheit bei den scienceblogs !

    Trotzdem finde ich das man sich in zeiten des Klimawandels lieber wieder auf die Verbesserung von Kernspaltung zurückbesinnen sollte. Nur diese sind immoment CO2 neutral und versorgen heute schon große Städte mit Energie. Das Problem ist immer noch die Nutzung von Uran, die sehr gefährlich sein kann, die überwiegende Nutzung heutzutage hat damit zu tun das man früher damit günstig Atomuboote betreiben konnte sowie Material für Atombomben hatte . Es gibt aber schon Konzepte wie die Flüssigsalzreaktoren die mit Thorium laufen und man die Zerfallszeit von den Abfällen auf bis zu 300 jahre reduzieren kann, ein sehr überschaubarer Zeitraum. Zusätzlich kann man den Atommüll der Uran betriebenen Rektoren als Brennstoff benutzen und in Brutreaktoren nochmal die Zerfallszeit verkürzen. Bis es eine kommerzielle Kernfusion gibt wird es noch ewig dauern und das ist unvereinbar mit den gefahren des Klimawandels die man heute schon beobachtet. Und bis zu einer Entwicklung dieser alternativen Reaktoren von den etablierten Konzernen kann man genau so ewig warten so lange diese mit den Uranreaktoren so viel Geld verdienen, darum ist es besser wenn man Flüssigsalzreaktoren in staatlichen Labors entwickelt die mit Steuerzahlergeld finanziert werden. Jetzt zu versuchen ein komplett neues Konzept wie Kernfusion weiter zu entwickeln ist IMO gefährlich und auch nicht wirklich vielversprechend.

  3. #3 Alderamin
    26. Februar 2016

    @MisterX

    Trotzdem finde ich das man sich in zeiten des Klimawandels lieber wieder auf die Verbesserung von Kernspaltung zurückbesinnen sollte. […] Bis es eine kommerzielle Kernfusion gibt wird es noch ewig dauern und das ist unvereinbar mit den gefahren des Klimawandels die man heute schon beobachtet.

    Es wird in der Tat ewig dauern, wenn kein Geld für die Kernfusion ausgegeben wird, deswegen macht eine Fokussierung auf Fissionskraftwerke keinen Sinn, im Gegenteil. Würde da ähnlich investiert werden wie in die Spaltung oder regenerative Energie, dann hätten wir möglicherweise schon kommerzielle Kernfusion.

    Außerdem wird der Klimwandel die Menschheit noch eine Weile beschäftigen. In der Zeit sind dann auch Fusionskraftwerke längst alltagstauglich.

  4. #4 MisterX
    29. Februar 2016

    @Alderamin: Das ist Quatsch. Es laufen heute schon sehr erfolgreiche Versuche zu Flüssigsalzreaktoren, wenn man sich auf diese konzentrieren würde wäre die Technologie in weniger als 10 Jahren tauglich für kommerzielle Dienste. Die getesteten Versuche haben sogar schon bessere Daten geliefert als vorhergesagt, findet man bei den Wikipedia Artikeln darüber. Geld in Kernfusion zu investieren macht keinen Sinn wenn man die Technologie die das gleiche und besser liefert (Flüssigsalzreaktoren können auch als Brutreaktoren benutzt werden und somit kann der Abfall der Urankraftwerke als Energiequelle benutzt werden, zeig mir mal Fusionskraftwerke die das können) schon sehr lange machbar existiert, und nur an der Geldgier der Energiekonzerne scheitert. Die typischen erneuerbaren Energien wie Wind und Solar können unmöglich großflächig Energie liefern, außer man plastert den Planeten mit den dingern zu. Über den Klimawandel gibt es Arbeiten bei denen die Wissenschaftler sagen das die Vohersagen viel zu opimistisch sind, von daher umso früher man anfängt was zu tun umso besser.

  5. #6 mustanse
    DE
    1. März 2016

    Ein schöner Artikel mit einem sinn-, grundlosen und deplazierten Seitenhieb auf das Erneuerbare-Energien-Gesetz. Die ohne Zweifel notwendige und sinnvolle Fusionsforschung ist tatsächlich sehr kostenintensiv. Demgegenüber steht der Gewinn an Wissen und technischen Lösungen in vielen Gebieten, die faszinierenden Versuchsanlagen sind nun mal im Grenzbereich des technisch Möglichen.
    Mit dem EEG stemmen wir aber jetzt die Kosten für die Markteinführung der EEs und die Ablösung der fossilen Erzeugung. Der Vergleich dazu wären die Kosten für Bau und Betrieb von x Fusionskraftwerken ab 2040/50/60. Wieviel el. Energie ist aus 500MW Heizleistung zu erwarten?
    Das Rennen um die kommerzielle Erzeugung von elektrischem Strom ist aber zugunsten der EEs entschieden. Das zeigt sich leicht am Vergleich der Kosten für neue, kommerzielle Anlagen – vgl. dazu die versprochene Einspeisevergütung für Hinkey Point C, wo es um einen (angeblich) fertig entwickelten Reaktortyp geht.
    Trotzdem hoffe ich, dass die Fusionsforschung auf hohem Niveau weiterbetrieben wird, ein kommerzielles Fusionskraftwerk ist aber imho nicht mehr zu erwarten.

  6. #7 Nordlicht_70
    1. März 2016

    In einem populärwissenschaftlichen Jugendbuch (vermutlich Ende der 70er Jahre) wurde die Schwierigkeit, das heiße Plasma in einem “Gefäß” zu halten, schön bildhaft beschrieben.
    “…., das ist so, als wenn die Pysiker versuchen würden, Wasser in einem Topf aus Eis zu kochen.”
    (Zitat aus dem Gedächtnis.)

  7. #8 fherb
    10. März 2016

    Wenn man sich das “Rauschen” der tatsächlichen Steuereinnahmen von Deutschland um die Vorhersagen und tatsächlichen Einnahmen an sieht (mehrere milliarden Euro), und sich klar macht, welchen Anteil von Fussionskraftwerken für die gesamte Zukunft am Bruttosozialprodukt ausgehen könnte… dann fragt man sich, warum hier um jede Million gefeilscht wird. Im Vergleich zu China könnte es sich Europa locker leisten 20 Milliarden Euro pro Jahr in diese Forschung zu stecken. Da Energie ein Grundrohstoff für sämtliche Wirtschaftszweige darstellt, ist der nutzbringende Gewinn jedes Euros an Investition in die Fusionskraftwerkstechnik unermesslich. – Da aber die Wirkungszeit von Politikern an den entsprechenden Schaltstellen immer noch unter der voraussichtlichen Zeit bis zum wirtschaftlichen Erfolg ist, bleibt hier jegliche Fokussierung aus. In dieser Beziehung sind Kapitalismus und Demokratie nicht das Optimum für das Überleben der Menschheit. :-/