Wie eine Krabbe die Kernfusion vorantreibt

Krabbe und Kernfusion

Eine neue Technologie könnte uns den Durchbruch in der Kernfusion bringen. Was das mit extrem lauten Krebsen zu tun hat? Lest weiter! 

Kernfusion ist mittlerweile fast schon ein geflügelter Begriff – die Technologie verspricht uns gigantische Mengen an Energie und das ohne Risiko einer Kernspaltung und ohne radioaktiven Müll. Doch der richtige Durchbruch ist bislang noch nicht gelungen. Jetzt hat ein britisches Unternehmen eine Technik entwickelt, die vielversprechend erscheint.

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Wie die Natur die Forschung inspiriert

Kurioserweise hat dieser Durchbruch etwas mit einem Krebs zu tun. Technische Fortschritte wurden schon oft durch Vorgänge in der Natur inspiriert – und die Fähigkeiten des sogenannten Knallkrebs sind tatsächlich so unglaublich, dass sie quasi prädestiniert sind, als Grundlage für einen technologischen Durchbruch zu dienen. 

Der Name dieser Krebsart sagt es schon: Sie sind in der Lage, extrem laute Geräusche zu erzeugen. Verantwortlich dafür ist ein spezieller Mechanismus ihrer Scheren. Durch eine schnelle Bewegung und ein Verhaken der Scheren wird eine Blase im Wasser erzeugt, eine sogenannte Kavitationsblase, die durch das ruckartige Lösen der Scheren kurz darauf implodiert. Das klingt wenig aufregend, hat es aber in sich: Es entstehen Lichtblitze und Temperaturen von mehreren 1.000 Grad. Der Rekord liegt bei einer Messung von knapp 4.700 Grad. Der Effekt ist so heftig, dass er im zweiten Weltkrieg sogar die Sonargeräte des Militärs zur Ortung von U-Booten störte. 

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Krebse: Lauter Knall für die Paarung

Die Knallkrebse nutzen diesen Vorgang für zahlreiche Zwecke: Zum Beutefang, für Paarungskämpfe und auch zur Kommunikation mit Artgenossen. Gut, dass diese Krebse nicht besonders groß werden, ansonsten hätte wohl schon der ein oder andere Schwimmer am Strand eine böse und laute Überraschung erlebt. Die Fähigkeit der Knallkrebse ist faszinierend, aber was hat sie denn nun mit der Kernfusion zu tun?  

Gemäß des Lawson-Kriteriums müssen Atome zur Kernfusion extremem Druck oder hoher Bewegungsenergie, etwa durch Hitze ausgesetzt sein. Auf der Erde benötigen wir dafür enorme Mengen an Energie. Der bisherige Ansatz zur Trägheitsfusion war es, einen großen teuren Laser zur Zündung zu nutzen.

  • Querschnitt des ITER Gebäudes
  • First Light Fusion - Ausschnitt aus dem Werbefilm
  • Darstellung eines Kernfusionsreaktor
  • Knallkrebs

Das britische Unternehmen First Light Fusion hat sich eine kreative Alternative für diesen Prozess ausgedacht: Sie wollen die Fusionszündung durch ein Hochgeschwindigkeits-Projektil auslösen! Beschossen wird ein 10 mm kleiner Würfel, der sich im freien Fall im Reaktor befindet. In diesem Würfel befindet sich eine kleine Brennstoffkapsel mit Wasserstoff. Durch die Wucht des Aufpralls entsteht ein enormer Druck, der die Fusion startet. Eine Besonderheit ist der Würfel selbst. Dieser fungiert als eine Art Verstärker, welcher die Schockwellen auf die Oberfläche der Brennstoffkapsel verteilt. Im Gegensatz zur Laser-Kernfusion wird der Brennstoff also nicht nur aus einer, sondern aus mehreren Richtungen zusammengedrückt. Im Moment ist das Verfahren noch Theorie, doch sollte es tatsächlich wie geplant funktionieren, könnte man die Kosten für die Zündung um den Faktor 4 verringern!

First Light Fusion macht Kernfusion kommerziell

Der Mechanismus von First Light ähnelt also wirklich dem des Knallkrebs: Dessen Schere schnappt mit solcher Kraft und Geschwindigkeit zu, dass der Krebs eine Schockwelle im Wasser auslöst. Das Wasser wird regelrecht „zerrissen“, wodurch sich für einen sehr kurzen Moment eine Gasblase bildet, die in ihrem Inneren kurzzeitig Temperaturen von mehreren 10.000 Grad erreicht. Ob den kleinen Knallkrebsen bewusst ist, was für geniale Wissenschaftler sie eigentlich sind? Vielleicht lebt ja irgendwo auf dem Meeresboden ein Exemplar mit dem Namen Albert Knallstein oder so.

Bei First Light Fusion wird aber noch einiges an Arbeit und Forschung investiert werden müssen, um das Prinzip marktreif werden zu lassen. Der Physiker Dr. Ben Miles prognostiziert, dass es von diesem Zeitpunkt an noch etwa zehn Jahre dauern wird, bis die Knallkrebsfusion kommerziell nutzbar ist. Im Vergleich zu anderen Fusionsprojekten ist das ein extrem kurzer Zeitraum. Zum Vergleich: Am Fusionsreaktor ITER in Frankreich rechnet man erst in den 2050er Jahren mit wirklich erheblichen Energiegewinnen, die kommerziell nutzbar sind. Wenn sich die Erwartungen bewahrheiten, ist die Technologie von First Light Fusion also unsere beste Hoffnung auf den dringend ersehnten Energiedurchbruch.

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China baut den Thorium-Flüssigsalzreaktor

Eine absolute Energierevolution könnte jetzt in China ihren Anfang nehmen. Die Chinesen testen ihren ersten Thorium-Flüssigsalz-Reaktor.

Kernenergie ist eine äußerst effiziente Energieerzeugungsmethode, die mangels CO2-Ausstoß auch sehr umweltfreundlich ist. Das Problem, das viele Leute sehen, ist die Gefahr eines radioaktiven Unglücks und der lange strahlende Atommüll. Eine Lösung für dieses Problem könnten Thorium-Reaktoren sein. Denn diese liefern – bislang noch in der Theorie – sichere und günstige Kernenergie in großen Mengen und benötigen weder Kühlungswasser für die Brennstäbe noch Uran. Als Brennstoff wird, der Name verrät es, Thorium verwendet. Thorium ist ein schwach radioaktives Metall, das in der Natur in Gesteinen vorkommt und ein Abfallprodukt des Abbaus von Seltenen Erden ist.  Momentan wird es kaum industriell genutzt und da die Seltene-Erde-Industrie in China stark wächst ist Thorium für die Chinesen eine attraktive Alternative zum Uran, das größtenteils importiert werden muss. Lyndon Edwards, Nuklearingenieur von der Australian Nuclear Science and Technology Organisation sagt dazu: 

“Thorium ist viel reichlicher vorhanden als Uran, deshalb wäre die entsprechende Nutzung eine sehr nützliche Technologie für die nächsten 50 oder 100 Jahre, wenn die Uranreserven zur Neige gehen.”

– Lyndon Edwards

Im Inneren eines Thorium-Reaktors zirkulieren statt Wasser geschmolzene Salze. Dadurch erhofft man sich, Kernenergie zu erzeugen, die wesentlich sicherer und relativ billig ist, und außerdem auch eine sehr viel geringere Menge an langlebigen radioaktiven Abfällen produziert als klassische Kernkraftwerke. All das ist momentan allerdings nur Wunschdenken, denn es gibt noch keinen voll funktionsfähigen Thorium-Reaktor. Das könnte sich nun aber ändern, denn die Chinesen starten diesen Monat den Testlauf für ihren ersten Thorium-Reaktor. Der Reaktor steht in Wuwei nahe der Wüste Gobi. Wenn der Test klappt, wird sich die erzeugte Menge an Energie aber in Grenzen halten, da es sich nur um einen Testreaktor handelt. Man erwartet sich die Erzeugung von zwei Megawatt thermischer Energie – damit könnten ungefähr tausend Haushalte versorgt werden. 

Eine offizielle Darstellung des Wuwei Reaktors

Doch wenn der Test klappt, kann man daran arbeiten, die Thorium-Energieerzeugung zu skalieren. Das dauert aber. China plant im Falle eines erfolgreichen Tests, bis 2030 einen Reaktor mit einer Leistung von 373 Megawatt zu bauen, der dann Hunderttausende von Haushalten mit Strom versorgen könnte. Bis also das ganze Land China, 1,4 Milliarden Menschen mit Thorium-Strom versorgt werden können, dürfte also selbst im Falle eines erfolgreichen Tests noch etwas Zeit ins Land gehen.

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Die Idee, einen Reaktor mit Flüssigsalz statt Wasser als Kühlmittel zu nehmen, ist nicht neu. In den USA betrieb man bis 1969 einen Flüssigsalzreaktor am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, der dann aber wegen nicht zufriedenstellender Ergebnisse abgestellt wurde. Der chinesische Flüssigsalzreaktor in Wuwei ist im Prinzip ein Nachbau des Oak-Ridge-Reaktors, aber mit allerlei Verbesserungen. Der größte Unterschied ist, dass im Oak-Ridge-Flüssigsalzreaktor kein Thorium verwendet wurde. Aber warum überhaupt Flüssigsalz? Charles Forsberg vom Massachusetts Institute of Technology beschreibt es so: 

“Im Vergleich zu Leichtwasserreaktoren in konventionellen Kernkraftwerken arbeiten Flüssigsalzreaktoren bei wesentlich höheren Temperaturen, so dass sie wesentlich effizienter Strom erzeugen könnten.”

– Charles Forsberg

Der Reaktor in Wuwei wird Salze auf Fluoridbasis verwenden, die bei einer Temperatur von etwa 450 Grad zu einer transparenten Flüssigkeit schmelzen. Das Salz dient wie bereits erwähnt als Kühlmittel und nimmt die Wärme aus dem Reaktorkern. Der größte Vorteil ist aber: In Flüssigsalzreaktoren fungiert an Stelle von festen Brennstäben wie in herkömmlichen Kernkraftwerken das flüssige Salz als Substrat für den Brennstoff, also in diesem Fall für das Thorium, das dann direkt im Kern gelöst wird. Das ist essentiell, denn dadurch dass der Brennstoff bereits im Flüssigsalz gelöst ist, ist die Wahrscheinlichkeit für explosive Kernschmelzen massiv verringert. 

Geschmolzenes Salz dient als Kühlmittel

Von der Verwendung von Thorium als Brennstoff sind aber nicht alle Wissenschaftler überzeugt. Das Problem, das bei Thorium gesehen wird, ist, dass es im Gegensatz zu natürlich vorkommenden Uranisotopen erst mal in einen spaltbaren Stoff umgewandelt werden muss. Das bedeutet, es gibt hier einen Zwischenschritt mehr als bei dem Uran, das man in herkömmlichen Kernkraftwerken verwendet. Dieser Zwischenschritt sieht so aus: Das Isotop Thorium-232 kann nicht gespalten werden – wenn es aber in einem Reaktor bestrahlt wird, bildet es das Isotop Uran-233, das dann wiederum ein spaltbares Material ist, das Wärme erzeugt. Ob also Thorium sich wirklich eignet, um Energie in großen Mengen zu erzeugen, ist noch ungewiss. Im Falle des Wuwei-Reaktors kommt hinzu, dass die Chinesen nicht besonders auskunftsfreudig sind, wenn es um ihre Technologien geht. Westlichen Forschern wird kein Zutritt zum Reaktor gewährt und die meisten Informationen stammen aus dritter Hand oder aus offiziellen Meldungen der chinesischen Regierung. Simon Middleburgh vom Nuclear Future Institute der University Bangor in Wales sagt:

“Wir werden so viele neue wissenschaftliche Erkenntnisse gewinnen. Aber wenn auf dem Weg dorthin etwas schief geht, kann man nicht weitermachen, sondern muss aufhören und neu anfangen. Wenn man mich ließe, würde ich mit dem ersten Flugzeug dorthin fliegen.”

– Simon Middleburgh

Noch mehr Informationen zum Thorium-Flüssigsalz-Reaktor erhaltet Ihr in diesem Video:

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