Fusionswärmemanagement – Umwandlung von 150 Millionen °C Plasma in nutzbaren Strom

Einführung

Wenn wir in den Sternenhimmel blicken, sind Licht und Wärme im Wesentlichen das Ergebnis kontinuierlicher Kernfusionsreaktionen im Inneren von Sternen. Die Simulation dieses Prozesses, um der Menschheit saubere, unbegrenzte Energie zu liefern, beschäftigt die Wissenschaft seit Jahrzehnten. Auf der Erde birgt die „Nachbildung der Sonne“ technische Herausforderungen, die weit über das Zünden der Fusionsflamme hinausgehen – die sichere, kontinuierliche und effiziente Bewältigung der enormen Hitze, die bei der Reaktion entsteht, ist eine der größten Hürden.

Überblick über die Kernfusionsreaktion

Kernfusion ist der Prozess, bei dem zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren Kern verschmelzen und dabei enorme Energiemengen freisetzen. Die Energie der Sonne und aller Sterne stammt aus diesem Prozess. Im Sonnenkern ermöglicht die Schwerkraft die anhaltende Fusion bei etwa 15 Millionen Grad Celsius unter extremem Druck.

Auf der Erde können wir uns nicht auf die Schwerkraft der Sonne verlassen. Um eine kontrollierte Kernfusion zu erreichen, werden andere Methoden eingesetzt, um die Reaktionsbedingungen zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Die vielversprechendsten technischen Ansätze sind der magnetische Einschluss (wie in Tokamak-Anlagen) und der Trägheitseinschluss (wie bei der Laserfusion).

Unabhängig vom gewählten Ansatz muss das Fusionsplasma das Lawson-Kriterium erfüllen, um einen effektiven Nettoenergiegewinn zu erzielen – das Produkt aus Temperatur, Dichte und Energieeinschlusszeit muss einen kritischen Wert erreichen. Wenn die bei der Fusion freigesetzte Energie, insbesondere die von geladenen Teilchen transportierte, das Plasma selbst ausreichend erhitzt, kann die Reaktion selbsterhaltend sein.

Wesen und Verteilung der Wärmeerzeugung

Bei der Deuterium-Tritium-Fusionsreaktion (DT-Fusion), der vielversprechendsten für eine kurzfristige Kommerzialisierung, werden pro Reaktion etwa 17,6 MeV Energie freigesetzt. Diese Energie wird nicht gleichmäßig freigesetzt, sondern hauptsächlich durch zwei Produkte transportiert: Neutronen (etwa 14,1 MeV) und Alphateilchen (etwa 3,5 MeV).

Neutronen sind ungeladen und interagieren daher kaum mit Magnetfeldern. Sie treten geradlinig aus dem Plasma aus und durchdringen die umgebende Blanketstruktur. Dort werden sie durch Kernreaktionen mit Blanketmaterialien (Lithium, Blei, Beryllium usw.) abgebremst und geben ihre kinetische Energie ab, wobei der größte Teil in thermische Energie umgewandelt wird. Dieser Anteil macht etwa 80 % der gesamten freigesetzten Fusionsenergie aus und stellt den Hauptanteil der nutzbaren Fusionsenergie dar.

Geladene Alphateilchen werden durch das Magnetfeld eingeschlossen und geben den Großteil ihrer Energie zur Selbsterhitzung im Plasma ab, wodurch der Bedarf an externer Heizleistung reduziert wird. Zusätzlich verliert das Plasma Energie durch Strahlung, die direkt auf die innerste erste Wand einwirkt.

Die effiziente Nutzung der Fusionsenergie hängt somit von einer zuverlässigen und effizienten Umwandlung der durch Neutronen im Blanket deponierten Wärme und der Strahlungs-/Teilchenwärme an der ersten Wand in elektrische Energie mittels eines robusten Wärmeübertragungs- und -umwandlungssystems ab.

Wichtige Verbindungen in der Wärmeübertragung

Hochtemperaturkühlmittel transportieren Wärme, die an das nachfolgende Energieumwandlungssystem abgegeben werden muss. Um diese Lücke zu schließen, sind Wärmetauscher erforderlich.

Rolle des Wärmetauschers

In Fusionsenergieanlagen übertragen Wärmetauscher Wärme von einem Hochtemperaturkühlmittel auf ein Arbeitsmedium (typischerweise Wasser oder ein anderes geeignetes Fluid). Das Arbeitsmedium absorbiert Wärme und durchläuft einen Phasenübergang, indem es von flüssig zu Hochtemperatur-Hochdruckdampf wird.

Ähnlich wie bei Druckwasserreaktoren in Kernkraftwerken tauscht das Hochtemperaturkühlmittel im Primärkreislauf Wärme mit dem Wasser im Sekundärkreislauf aus, verdampft dieses und erzeugt so Dampf für die nachfolgende Stromerzeugung.

Erweiterte Kreisläufe: Superkritischer CO₂-Brayton-Kreislauf

In den letzten Jahren hat sich der Brayton-Kreislauf mit überkritischem Kohlendioxid (sCO₂) als attraktive Alternative etabliert. Bei hohen Temperaturen erzielt CO₂ einen höheren thermischen Wirkungsgrad als herkömmliche Dampfkreisläufe – potenziell über 40 % – und das bei kompakterer Bauweise.

Ziele und Herausforderungen des Wärmemanagements bei der Fusionsentwicklung

Ziel des Wärmemanagements in Fusionsanlagen ist die sichere und effiziente Umwandlung der durch Neutronen und Strahlung deponierten Wärmeenergie in nutzbare elektrische und thermische Ressourcen. Dies erfordert Durchbrüche bei hochtemperaturbeständigen, strahlungsresistenten Materialien, effizienten und zuverlässigen Kühllösungen, der Integration fortschrittlicher thermischer Zyklen sowie umfassende Verbesserungen der Systemsicherheit und Wartungsfreundlichkeit.

Aktuelle internationale Bemühungen, wie der Internationale Thermonukleare Versuchsreaktor (ITER) und nationale Fusions-Testreaktoren (z. B. Chinas CFETR), führen umfangreiche Experimente und Validierungen in diese Richtung durch.

Über Shenshi

Die 2005 gegründete Hangzhou Shenshi Energy Conservation Technology Co., Ltd. (SHENSHI) ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf energieeffiziente Wärmeübertragung und Mikroreaktionstechnologien spezialisiert hat. Als Pionier im Bereich des kohlenstoffarmen Wärmemanagements entwickelt und fertigt Shenshi Hochleistungswärmetauscher und Mikroreaktoren für Branchen wie Energie, Schiffbau und Offshore-Technik, Wasserstoff, Pharmazie und die moderne Fertigung.

Mit Lösungen, die in mehr als 40 Ländern eingesetzt werden, hat sich Shenshi der Bereitstellung zuverlässiger, effizienter und nachhaltiger Wärmetechnologien für anspruchsvolle industrielle Anwendungen verschrieben.