National Ignition Facility: Atommüll beseitigen mit Kernfusion

4. November 2009 von Lars Fischer in Physik

Strahlende Abfälle aus Kernreaktoren werden auch nach dem Ausstieg aus der Kernenergie ein ernstzunehmendes Problem darstellen. Doch Regierung und Kraftwerkbetreiber sind genauso wenig wie Atomkraftgegner bereit, sich mit diesem Problem seriös zu befassen. Also muss der Abfall vernichtet werden, doch wie? Es gibt - theoretisch - eine ungewöhnliche Lösung.

Auslese 2009Spiegel Online hat heute einen Artikel über das Fusionsprojekt NIF am Lawrence Livermore National Laboratory, in dem leider nicht allzu viel drinsteht. Ich hatte mich allerdings auch mal mit dem Thema befasst und bin dabei auf einen bemerkenswerten Plan gestoßen: Atommüll-Verwertung mit Fusionsenergie.

Das Problem mit dem Atommüll ist ja, dass man ihn nicht wirklich gut lagern kann. Weder in oberirdischen Zwischenlagern, noch in verfallenden Salzstöcken und schon gar nicht im Meer vor Nowaja Semlja, wo er dafür sorgt, dass dem letzten überlebenden Kabeljau ein zusätzliches Paar Kiemen wächst. Am liebsten würde man ihn einfach verbrennen, aber davon werden die Radioisotope leider nicht zerstört

Es gibt allerdings eine Methode, das Zeug endgültig zu beseitigen: Den Beschuss mit langsamen Neutronen. Forscher haben das Verfahren, isotope engineering, in der Schweiz weiter entwickelt und es funktioniert. Dass Atomkraftbetreiber bislang nicht in Jubelstürme darüber ausgebrochen sind, dürfte daran liegen, dass es ziemlich teuer würde, Atommüll auf diese Weise zu entsorgen. Teurer als so ziemlich jede andere Stromquelle auf dem Markt.

Man kann das Prinzip allerdings noch weiter treiben. Russische Wissenschaftler haben schon vor Jahren auf Basis dieses Verfahrens ein Hybrid-Kernkraftwerk konzipiert – der Atommüll soll nicht nur unschädlich gemacht werden, sondern nebenher auch noch Energie erzeugen. Und zwar mit Hilfe der Kernfusion. Und die Forscher an der National Ignition Facility wollen das Ding bauen.

Die Fusion im magnetisch eingeschlossenen Plasma, wie sie zum Beispiel am Versuchsreaktor ITER angestrebt wird, ist allerdings nicht die einzige Möglichkeit, Wasserstoff zu fusionieren und die freigesetzte Energie zu nutzen. Die Alternative ist ein nicht-kontinuierlicher Prozess, bei dem man ein festes Kügelchen mit Aus den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium schlagartig komprimiert und auf 100 Millionen Grad Celsius erhitzt. Das Verfahren bezeichnet man als Trägheitseinschluss.

Inertial Confinement Fusion - Trägheitseinschluss


>Bild: Uni München,
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Damit in einem Plasma Fusion auftritt, muss das Produkt aus Plasmadichte und Reaktionszeit einen kritischen Schwellenwert überschreiten. Die dafür nötigen Energien erreicht man, indem man das Target mit Lasern oder Teilchenbeschleunigern beschießt. Um eine möglichst exakt sphärische Symmetrie bei der Kompression zu erhalten, schießt man nicht auf das Target selbst, sondern auf dessen äußere Hülle aus Gold. Die wiederum erzeugt ein hochsymmetrisches, extrem energiereiches Strahlungsfeld, das die äußere Schicht des Brennstoffpellets schlagartig aufheizt und eine kugelsymmetrische Schockwelle erzeugt.

Durch die Massenträgheit der beteiligten Partikel bleibt das Fusionsplasma für einige Picosekunden dicht genug für die Kernfusion. Danach fliegt es in einem Feuerball auseinander[1]. Die kurze Zeitspanne jedoch reicht aus, um nahezu alle Teilchen des Targets miteinander verschmelzen zu lassen. Macht man das etwa 10-15 Mal pro Sekunde, hat man ein 10-Megawatt-Kraftwerk, minus die Energie für den Beschuss.

Die amerikanische Anlage, die besagte National Ignition Facility, ist gerade fertig geworden. Am 26. Februar fand dort das erste Testschießen mit den 192 Lasern statt, quasi die inoffizielle Einweihung des Großgerätes. Es dient jedoch nicht der Energiewirtschaft, sondern sind für die Kernwaffenforschung: Mit Hilfe der Fusionsanlage wollen die Forscher Vorgänge bei der Zündung von Wasserstoffbomben untersuchen, an die man in echten Kernwaffenversuchen nicht herankommt. Die energetische Nutzung ist dabei nur ein netter Nebeneffekt aus der Rubrik probieren kann man’s ja mal.

Fusion als Neutronenquelle
Im Grunde wissen auch alle Beteiligten, dass dabei nicht so sonderlich viel raus kommen wird, weil ein beträchtlicher Anteil der gewonnenen Energie für die Laserpulse wieder draufgeht, und so wird das Verfahren unrentabel. Schwerionenbeschleuniger arbeiten effizienter und könnten eine Lösung sein, dieser Ansatz ist praktisch aber so gut wie überhaupt nicht entwickelt. Man könnte das Ganze also im Grunde zumindest für die nahe Zukunft als Energiequelle abschreiben, wenn dabei nicht noch etwas anderes entstehen würde: Etwa 80% der Fusionsenergie entweicht als Neutronen.

Neutronen kennen wir aus der Kernspaltung, dort lösen sie eine Kettenreaktion, die mal kontrolliert (AKW), mal unkontrolliert (Atombombe) erhebliche Energiemengen freisetzt. Der Trick ist, dass ein Neutron von einem leidlich stabilen Kern, zum Beispiel Plutonium, absorbiert wird, so dass ein extrem instabiles Isotop entsteht, das sofort in energieärmere Kerne – bei Plutonium sind das Antimon und das ebenfalls instabile Technetium – plus weitere Neutronen zerfällt. Diese weiteren Neutronen reagieren mit anderen Kernen und erhalten die Kettenreaktion aufrecht.

Bei ausgebrannten Brennstäbe aus Kernkraftwerken ist die Neutronenausbeute nicht mehr groß genug, um eine Kettenreaktion aufrecht zu erhalten, sie erhalten aber noch sehr viel Energie in Form von spaltbaren Produkten.[2] Diese Energie kann durch Neutronenbeschuss freigesetzt werden, mit dem netten Nebeneffekt, dass dabei auch die stark strahlenden Produkte der ursprünglichen Kettenreaktion vernichtet werden.

Hybride Kernreaktoren
Ideen, einfach statt der Steuerstäbe Neutronenquellen in ausgebrannte Reaktoren einzuführen, gibt es deswegen schon länger. Die Idee, Kernfusion als Neutronenquelle zu nutzen, ist nur die konsequente Fortsetzung dieser Überlegungen.

 

LIFE
Bild: National Ignition
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Die Amerikaner wollen dazu einen Trägheitseinschluss-Fusionsreaktor wie den am NIF, der für sich allein als Kraftwerk nicht rentabel wäre, mit einer Schale aus verbrauchten Brennelementen zu umgeben. Damit soll sich der Energieausstoß des Fusionskraftwerkes um etwa den Faktor zehn erhöhen. Weil die Betreiber konventioneller Atomkraftwerke händeringend nach Abnehmern für stark strahlenden Atommüll suchen, wäre der Brennstoff konkurrenzlos billig.

Die Neutronen aus der Fusion sind allerdings zu energiereich, um die Reaktion in der Spaltungsschale effektiv zu katalysieren, deswegen müssen sie noch durch eine Moderatorschale aus Beryllium, in der sie einen Schauer aus niedrigenergetischen Neutronen erzeugen. Die erzeugte Wärmeenergie transportiert eine eutektische Mischung aus Lithiumfluorid und Berylliumfluorid ab, die bei der Betriebstemperatur des Reaktors flüssig ist. Ein solches Gerät hätte nach Angaben der NIFeine Leistung von ungefähr 2-3 Gigawatt und würde die Menge der strahlenden Abfälle um 95% reduzieren.

Das ganze Szenario hängt natürlich davon ab, ob es gelingt, einen Fusionsreaktior wie das NIF-Gerät kontinuierlich zu betreiben, so dass eine konstante Neutronenversorgung sichergestellt ist. Die Schwierigkeiten dabei sind, zurückhaltend ausgedrückt, beträchtlich. Das beginnt schon bei der Massenproduktion der Targets – 2,5 Mikrogramm gefrorenes Deuterium-Tritium-Gemisch im Goldmantel gibt es nicht im Ikea-Katalog, und man braucht zehn Stück pro Sekunde – und ihrer sicheren Handhabung. Ein weiteres ernstes Problem ist die vergleichsweise niedrige Schussfrequenz derart großer Laseranlagen, und natürlich ihr geringer Wirkungsgrad.

Noch ist allerdings nicht einmal klar, ob die Fusion selbst funktionieren wird. Die ersten Zündungsexperimente sollen Anfang 2010 stattfinden. Dann werden wir sehen, ob die ganze Geschichte etwas taugt.
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[1] Der entscheidende Vorteil daran ist, dass man sich keine Gedanken darüber machen muss, wie man ein Millionen Grad heißes Plasma technisch handhabt und kontrolliert – man lässt einfach eine Mini-Wasserstoffbombe explodieren und sammelt die freigesetzte Energie anschließend ein. Im Grunde entspricht das Prinzip den ersten Verbrennungsmotoren: Den besten Wirkungsgrad hat eine kontinuierlich laufende Turbine, aber es ist technisch viel einfacher, nacheinander kleine Portionen Brennstoff anzuzünden. Und deswegen hat das Automobilzeitalter mit eben dieser Technik angefangen.

[2] Man kann – mit erheblichem Aufwand – diese Brennstäbe wieder regenerieren und noch einmal in der Kettenreaktion einsetzen, diese Wiederaufarbeitung konnte die in sie gesetzten Hoffnungen allerdings nicht erfüllen


4 Kommentare zu “National Ignition Facility: Atommüll beseitigen mit Kernfusion”

  1. Lars Fischer Antworten | Permalink

    Nein, soweit ich das verstehe nicht. Daber das ist auch ein interessantes Konzept das er da beschreibt.

  2. Jens Antworten | Permalink

    Atommülllagerung

    Der Atommüll sollte bis dahin flüssig
    gelagert werden. Damit hält man sich jede weitere Option (Isotopentrennung, Transmutation usw.) offen.

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