Energie nach dem Vorbild der Sonne: GRS erstellt Störfallanalysen für Fusionsreaktor

01.07.2019

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Die Sonne ist die wichtigste Energiequelle des Menschen. In ihrem Inneren fusionieren pro Sekunde 564 Millionen Tonnen Wasserstoff zu Helium. Damit es dazu kommen kann, müssen positiv geladene Atomkerne ihre elektrische Abstoßung überwinden und sich zu Heliumkernen verbinden („fusionieren“). Das geschieht in der Sonne durch eine ausreichend hohe Energie in Form von Wärme. Dabei wird eine unvorstellbare Leistung von ca. 3,8 · 1026 Watt frei und in den Weltraum abgestrahlt, was in etwa der thermischen Leistung von 1017 Kernkraftwerken entspricht. Auf der Erde kommen hiervon im Mittel pro Quadratmeter rund 1,4 Kilowatt in Form von Strahlung an (sog. Solarkonstante).

Forscher versuchen seit den 1950er Jahren das Phänomen der Kernfusion auf der Erde in ein technisches Konzept für die Stromerzeugung umzusetzen (z. B. „Z-Pinch“, „Spiegelmaschine“, „Stellarator“ und „Tokamak“). Aktuell gibt es hierzu eine Reihe von Forschungsanlagen, die im Betrieb oder Bau sind. Die bekannteste und weltweit größte internationale Fusionsanlage heißt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) und wird derzeit im französischen Cadarache gebaut. ITER soll in den 2030er Jahren bereits mehr Energie liefern, als für seinen Betrieb benötigt wird.

Allen diesen Projekten ist gemeinsam, dass schwerer Wasserstoff (Deuterium) und superschwerer Wasserstoff (Tritium) zum Fusionieren gebracht werden sollen. Der Unterschied der verschiedenen technischen Konzepte besteht in der Art und Weise des Brennstoffeinschlusses (Trägheitseinschluss, magnetischer Einschluss) einerseits und andererseits, wie ein Einschluss umgesetzt wird (z. B. ringförmige Schließung der Magnetfeldlinien oder Reflexion an den Enden der Maschine).

In Frankreich wird aktuell die Fusionsanlage ITER gebaut (Bild: ITER Organization)

Projekt DEMO: Machbarkeit der Stromerzeugung unter Beweis stellen

Die GRS ist aktuell an einem möglichen Nachfolgeprojekt von ITER namens DEMO (Demonstration power plant) beteiligt. DEMO soll dazu beitragen, verschiedene Technologien zu testen und für den Einsatz in kommerziellen Anlagen vorzubereiten bzw. zu qualifizieren. Auch der geschlossenen Tritium-Brennstoffzyklus, die ferngesteuerte Wartung und die Sicherheit der Anlage sind Gegenstände des Projekts. Die GRS analysiert im Auftrag des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) für DEMO die Sicherheit der Anlage mittels deterministischer Störfallanalysen. Fachleute schätzen, dass DEMO bereits eine elektrische Leistung von 300 bis 500 Megawatt dauerhaft ins Netz einspeisen wird.

Bis zum heutigen Tag gibt es noch kein Fusionskraftwerk zur Stromerzeugung. Dies liegt vor allem daran, dass ein Fusionskraftwerk auf verschiedenen Ebenen hohe Ansprüche an die Technologie stellt. Die verwendeten Materialien müssen hohen Temperaturen, teils hohem Druck im Kühlmedium und einem intensiven Strahlungsfeld (z. B. durch die Neutronen) standhalten. Weiterhin muss eine große Menge an Energie aufgebracht werden, um das Plasma aufzuheizen.

Wie funktionieren Fusionsanlagen wie ITER und DEMO?

ITER und DEMO sind Fusionsanlagen des Typs Tokamak (russ. für „toroidale Kammer in einer Magnetfeldspule“). Bei diesem Konzept wird ein starkes Magnetfeld in einer Vakuumkammer, die einem ringförmig geschlossener Zylinder – einem sogenannten Torus – ähnelt, erzeugt. In diese Kammer wird ein dünnes Gasgemisch aus Deuterium und Tritium eingefüllt und anschließend so weit erhitzt, bis es zu 150 Millionen Grad Celsius heißem Plasma wird.

Plasma wird oft als vierter Aggregatzustand neben fest, flüssig und gasförmig bezeichnet. Es handelt sich dabei um ein leitfähiges Gas, das aus positiv geladenen Ionen und freien Elektronen besteht. Über die sogenannte „Lorentzkraft“ und das ringförmige Schließen von Magnetfeldlinien können geladenen Teilchen eines Plasmas eingeschlossen werden. Der Einschluss durch das Magnetfeld sorgt dafür, dass das Plasma die Wände der Vakuumkammer nicht berührt. Dies würde zu einem sofortigen Kollaps des Plasmas und damit der Fusion führen und gefährdet die Integrität der Wände.

Schnitt durch den ITER-Reaktor als Tokamak (Bild: ITER Organization)

Bei der Kernfusion in ITER und DEMO verschmelzen die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium zu Helium, zusätzlich wird ein freies Neutron erzeugt. Die freiwerdende Energie wird vom Heliumkern und vom Neutron als Bewegungsenergie getragen. Der geladene Heliumkern steht dem Plasma als Heizung zur Verfügung.

Das ungeladene Neutron wird durch das Magnetfeld nicht eingeschlossen. Es verlässt das Plasma, verliert in der Innenauskleidung der Vakuumkammer – dem sogenannten Blanket –seine Energie und wird schließlich von Atomkernen eingefangen. Damit kann die Energie des Neutrons einerseits als Wärme genutzt werden. Andererseits kann der Einfang von Neutronen in Lithium zum Herstellen von neuem Tritium genutzt werden.

Dem Blanket kommt dabei eine besondere Rolle zu. Es dient zum einen dem Erzeugen und Abtransportieren von Wärme. Hierzu wird ein Kühlmittel benötigt, wie z.B. Helium. Zum anderen ist es für das Erbrüten von der Brennstoffkomponente Tritium zuständig. Da Tritium in der Natur praktisch nicht vorkommt, muss dieser Stoff für die Kernfusion stetig neu gewonnen werden. Deuterium ist hingegen in den Weltmeeren zur Genüge vorhanden.

Mittels Fusion könnte aus nur einem Gramm Deuterium-Tritium-Gemisch eine thermische Energie von rund 100 Megawattstunden (MWh) erreicht werden. Dies entspricht ungefähr dem Brennwert von 12 Tonnen Steinkohle.

GRS untersucht Sicherheit von Fusionsanlagen

Die Aufgabe der GRS ist es, für das DEMO-Projekt die Sicherheit der Anlagen mittels Störfallanalysen unter die Lupe zu nehmen. In Fusionsreaktoren kann es zu verschiedenen Arten von Störfällen kommen. Jede größere Störung führt zu einem Zusammenbrechen des Plasmas und somit zum sofortigen Stopp der Kernfusion.

Während des Betriebes entstehen jedoch durch die freigesetzten Neutronen Radionuklide. Das wesentliche Schutzziel für eine Kernfusionsanlage besteht deshalb darin, radioaktive Materialien in der Anlage einzuschließen, damit diese nicht in die Umwelt gelangen.

Verglichen mit Kernkraftwerken ist das Risikopotenzial von Fusionsanlagen um viele Größenordnungen niedriger. Dies ist vor allem auf das substanziell geringere radioaktive Inventar zurückzuführen. Das radioaktive Inventar besteht zu einem wesentlichen Anteil aus Tritium. Tritium zählt zu den „weichen“ Beta-Strahlern und weist mit 12,3 Jahren eine – verglichen mit Uran oder Plutonium – relativ überschaubare Halbwertzeit auf, aus der eine radiologisch relevante Aktivität folgt.

Da sich Tritium als Wasserstoffisotop chemisch wie Wasserstoff verhält, kann es durch Nahrung oder Wasser in den Organismus von Menschen und Tieren gelangen und dort gesundheitsgefährdend wirken. Sicherheitstechnische Untersuchungen und Maßnahmen gegen mögliche Stör- und Unfälle sind deshalb wichtig, um negative radiologischen Auswirkungen für Mensch und Umwelt zu vermeiden.

Störfallanalysen mit der Software MELCOR

Die GRS setzt für ihre Störfallanalysen Rechencodes ein, die thermohydraulische Probleme und das Verhalten von Radionukliden simulieren können. Im aktuellen Projekt untersucht die GRS die Sicherheit der DEMO-Anlage mit Hilfe des Simulationscodes MELCOR.

Mit Hilfe von Konstruktionsdaten werden Eingabedatensätze für MELCOR erstellt, die die Anlage abbilden. Aufgrund der Komplexität wird diese Abbildung auf einige wenige Bereiche des Torus beschränkt.

Anschließend werden die Bedingungen der Störfall-Szenarien bestimmt. Nach der Simulation der Szenarien werden diese anhand verschiedener Aspekte, wie Druck- und Temperaturaufbau in der Vakuumkammer oder im Blanket, analysiert und mit den Anforderungen an die Sicherheit der Anlage verglichen. Im Projekt ist die GRS für die gesamte Modellierung eines neuentworfenen Blankets in MELCOR verantwortlich.

Erste Ergebnisse des einjährigen Projektes werden für dieses Jahr erwartet.

Weitere Informationen

>> Video: Was passiert bei der Kernspaltung und bei der Kernfusion?
>> GRS-Studie: Untersuchung der Sicherheit von Kernfusionskraftwerken hinsichtlich nuklearer Stör- und Unfälle
>> Internationales Fusionsprojekt ITER
>> EU-Forschungskonsortium für Fusion Eurofusion
>> Stellarator Wendelstein 7-X
>> IPP: Einführung zum Tokamak ASDEX Upgrade