Sind Mini-Fusionskraftwerke möglich?

Zum Kompaktreaktor-Konzept von Lockheed Martin / Fusionsantriebe für Flugzeug und Lastwagen?

Ein kleines, transportables Fusionskraftwerk zu bauen, ist seit langem ein Traum der Fusionsforscher. Im Laufe der Forschung wurde jedoch klar, dass ein funktionierendes Kraftwerk eine gewisse Mindestgröße besitzen muss. Trotzdem gibt es gelegentlich erneute Versuche (siehe: The fusion upstarts, in: Nature, Band 511, 14.7.2014, S. 398 ff.). Die IPP-Wissenschaftler Professor Sibylle Günter und Professor Karl Lackner erläutern, warum auch die jüngste Variante – ein Vorschlag des US-amerikanischen Technologiekonzerns Lockheed Martin – wohl ein Traum bleiben wird:

Die Patentanmeldungen für die von Lockheed Martin vorgeschlagene Anlage zeigen kein wirklich neues Konzept, sondern kombinieren die bekannten Konzepte eines „Magnetic Cusp“ mit einem magnetischen Spiegel. Beide kranken daran, dass geladene Teilchen entlang der Magnetfeld-Linien aus dem Einschlussgebiet nach außen entweichen können. Dies führt zu einem nicht tolerierbaren Energieverlust, weil immer vor allem die schnellen, heißen Teilchen zuerst verloren gehen. Dabei hilft es auch nicht – wie vorgeschlagen – mehrere Cusps hintereinander zu schalten bzw. mit magnetischen Spiegeln zu kombinieren.

Vorgesehen ist, Spulen in das Gefäß, also innerhalb des Plasmas zu montieren. Dazu sind Anschlüsse nach außen und Befestigungen in der Plasmakammer nötig. Heiße Plasmateilchen aus dem Zentrum der Anlage würden daher direkt mit diesen Befestigungen in Kontakt kommen. Die grundlegende Idee des magnetischen Einschlusses ist es aber gerade, dass die energiereichen Plasmateilchen im Zentrum sich entlang von Magnetfeldlinien im immer gleichen Volumen bewegen und gerade nicht auf materielle Wände treffen. Andernfalls kühlt sich das Plasma sehr schnell ab. Eine Lösung hierfür wären supraleitende Spulen, die im Gefäß ohne Halterung schweben – dann bleibt aber das obige Energieverlust-Problem übrig: Die vorgeschlagene Anordnung ist zum Einschluss heißer Plasmen nicht geeignet.

Zudem müssen die Spulen innerhalb der Plasmakammer nicht nur gegen das umgebende heiße Plasma, sondern vor allem gegen die bei der Fusion erzeugten Neutronen abgeschirmt werden. Für supraleitende Spulen sind mindestens 80 Zentimeter Abschirmung um jede Spule nötig. Dies passt nicht zur angestrebten Größe des Kraftwerks.

Alle diese Probleme wurden mit den heute verfolgten Konzepten Tokamak und Stellarator überwunden. Trotzdem können keine kleinen, transportablen Kraftwerke gebaut werden. Denn um eine positive Energiebilanz zu erzielen – d.h. mehr Fusionsleistung zu erzeugen, als zur Heizung des Plasma erforderlich ist – ist eine extrem gute Wärmeisolierung des Plasmas erforderlich – rund 50mal besser als Styropor. Im Kraftwerk ist eine Temperatur im Plasma-Zentrum von 100 bis 200 Millionen Grad nötig, während an den Wänden nicht mehr als 1000 Grad tolerierbar sind. Diese großen Temperatur-Unterschiede im Plasma treiben turbulente Strömungen an, die heiße und kalte Plasmaregionen durchmischen, d.h. die wärmeisolierende Wirkung des magnetischen Feldes beeinträchtigen. Dies muss durch ein größeres Volumen ausgeglichen werden. Dabei bestimmt die Stärke des Temperaturabfalls die turbulenten Strömungen und damit die Mindest-Größe eines Kraftwerks. Wie man bei der von Lockheed Martin propagierten Kompaktversion eine positive Energiebilanz erreichen will, ist nicht einmal ansatzweise im Patentvorschlag erwähnt.