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Schiller-Institut e. V.
"Zweck der Menschheit ist kein anderer als die
Ausbildung der Kräfte des Menschen, Fortschreitung."
Friedrich Schiller

 

Die beherrschbare Energie

Von Armin Azima

Armin Azima ist Physiker an der Universität Hamburg. Bei der Bad Sodener Konferenz des Schiller-Instituts hielt er am 1. Juli den folgenden Vortrag.

Meine Damen und Herren, verehrte Konferenzleitung, liebe Helga Zepp-LaRouche!

Vielen Dank für die Einladung, daß ich diesen Vortrag hier halten kann. Es ist eine Ehre für mich, hier zu sein, und ich glaube, ich werde die Zuhörer davon überzeugen, daß die Physik in unserer modernen Welt sehr aufregend ist. Es gibt derzeit vielversprechende Entwicklungen, von denen Sie vielleicht noch gar nichts gehört haben. Deswegen erlauben Sie mir, Sie über wunderbare Fortschritte im Bereich der Energietechnologie zu informieren, die man heute auf der Welt erleben kann.

In meinem Vortrag möchte ich mich auf die folgenden Themen konzentrieren:

  • Ich werde Ihnen einige interessante Zahlen über die deutsche Energiewende vorlegen und zeigen, was dies praktisch für die Menschen in Deutschland bedeutet.

  • Dann werde ich mich mit zwei Schwerpunkten der Nuklearwissenschaft in der Welt beschäftigen, die sehr vielversprechend sind und die Hoffnung auf eine schöne Zukunft mit billigen, sauberen und leistungsfähigen Energiequellen verheißen.

  • Besonders die Beherrschung der Fusionstechnologie wird die Tür zu einer neuen wunderbaren Welt mit derzeit undenkbaren Möglichkeiten aufstoßen.

  • Und ich möchte Ihnen einige Ideen vorstellen, was getan werden könnte, wenn Energie billig wäre.

In der Geschichte der Menschheit wissen wir jedoch alle, daß jede Technologie entweder zum Nutzen oder zur Zerstörung eingesetzt werden kann. Und natürlich: je stärker und leistungsfähiger die Technologie – angefangen von der Erfindung des Stahls bis hin zur ersten Spaltung eines Atomkerns –, desto gefährlicher die entsprechende Waffe. Deswegen empfinde ich es als meine Verantwortung, mich laut gegen den Einsatz von Kernwaffen ganz allgemein auszusprechen, was ich im letzten Teil meines Vortrags wissenschaftlich untermauern will.

Abb. 1: Lyndon LaRouches „Vier Gesetze“

1. Glass-Steagall
2. Nationalbanksystem
3. Ständige Steigerung der allgemeinen Energieflußdichte
4. Nutzung der Kernfusionstechnologie

Doch bevor ich mit Technologie beginne, möchte ich erneut LaRouches Vier Gesetze erwähnen (Abbildung 1): Erstens die Wiedereinführung des Glass-Steagall-Gesetzes, zweitens die Gründung eines Nationalbanksystems, und drittens die ständige Erhöhung der allgemeinen Energieflußdichte in der Gesamtgesellschaft. Diese Forderung verlangt die Weiterentwicklung der zivilen Infrastruktur, die in der Lage sein muß, die starken Energiequellen zur Steigerung der produktiven realwirtschaftlichen Erzeugung zu nutzen.

Und viertens eine Frage, die mir als Physiker persönlich am Herzen liegt, die Erforschung und Nutzung der Kernfusion als ultimative Energiequelle, die meiner persönlichen Überzeugung nach die einzige Möglichkeit ist, in einer wachsenden Welt ein hohes Prosperitätsniveau für die gesamte Menschheit in Zukunft aufrechtzuerhalten.



Abb. 2: Verteilung der in Deutschland installierten Windturbinen (braune Punkte, Stand 2011) und Kernkraftwerke (rote Punkte, Stand 2016): Der Anteil der Windkraft und der Kernkraft am Energiemix betrug 2016 jeweils ca. 14%. Die weite Verteilung der Windkraftanlagen erfordert ein komplexes und umfassendes Leitungsnetz zur Verteilung der Elektrizität.

Quelle: Verteilung der Windkraftanlagen: European Environment Agency (EEA), Standorte der Kernkraftwerke: BMU.

Abb. 3: Vergleich der Energieflußdichten:
Die Energieflußdichte (Φ = kWh/m2 pro Jahr) der Kernkraft ist weit größer als die anderer Energiequellen, wie z.B. Wind- oder Solarkraft oder Braunkohle; Φ(Atom) ist 40-50 Mal so groß wie die anderer Kraftquellen. Hier zwei verschiedene Berechnungen der Werte von Φ, links die Kalkulation des Verfassers, rechts die von Dr. Günter Keil (Quelle: http://www.ageu-die-realisten.com/archives/1473); blau = Biogas, rot = Windkraft, grün = Braunkohle, lila = Kernkraft, einige Werte sind zu klein, um sie sichtbar darstellen zu können.

Zitat aus der Tagesschau: „Eine Windfarm, die ein Kernkraftwerk ersetzen könnte, müßte etwa die Fläche des Bundeslands Bremen haben.“

Ich möchte mit einem der wichtigen Aspekte in LaRouches vier Gesetzen beginnen, der Energieflußdichte, die jetzt mit dem Buchstaben Φ abgekürzt werden soll.

Konsequenzen der Energiewende

Angesichts der bekannten Energiewende in Deutschland hin zu regenerativen Energiequellen möchte ich Ihnen diese Karte zeigen (Abbildung 2), in der alle installierten Windturbinen in Deutschland als braune Punkte dargestellt sind. Zusammen erzeugen sie etwa die gleiche Menge Energie wie die sieben roten Punkte, die die Kernkraftwerke im Jahr 2016 darstellen. Ich meine, diese Skizze verdeutlicht das Konzept von Energieflußdichte wirklich eindrücklich.

Wie Sie wissen, werden diese roten Punkte im Jahr 2022 verschwinden, wenn der vollständige Ausstieg aus der Kernenergie vollzogen sein wird.

Was jeder leicht versteht, ist, daß die großflächige Verteilung von Kraftmaschinen, was man in Deutschland „Dezentralisierung der Energieproduktion“ nennt, ein komplexes und teures Stromverteilungsnetz erfordert – insbesondere im Vergleich zu der Zeit vor etwa 20 Jahren, als der Energiemix von einigen starken zentralen Stromerzeugungsanlagen bestimmt war.

Ganz sicher sind die Energiekosten angestiegen und werden in der Zukunft weiter ansteigen. Derzeit haben wir den Übergang zu etwa 30% regenerativer Energiequellen in unseren Energiemix erreicht, und der Strompreis ist dabei inflationsbereinigt um über 50% angestiegen. Und das Ziel ist, im Jahr 2050 80% zu erreichen!

Die Bundesregierung behauptet indes, die Strompreise werden nach 2025 wieder sinken, dem ich jedoch das Wort „vielleicht“ hinzufügen möchte.

Wir werden es sehen...

Ich habe die Gesamtstromrechnung für Deutschland berechnet und diese mit Frankreich verglichen, das mehr als 50% Kernenergie in seinem Strommix hat. Sicher ist Deutschland ein reiches Land, und viele Leute können sich die höheren Strompreise leisten – nicht alle, aber viele. Aber für ein vergleichbar großes und vergleichbar dicht besiedeltes Entwicklungsland wäre eine Stromrechnung von 150 Mrd.€ im Jahr eindeutig zu hoch.

Somit dürfte der französische Energiemix für deren Bedürfnisse besser geeignet sein, um es einmal diplomatisch auszudrücken.

Kernkraft

Aber konzentrieren wir uns etwas genauer auf die Kernenergie. Wie wir bereits festgestellt haben, ist die Energieflußdichte der Kernspaltung unter allen heutigen Energiequellen derzeit die höchste technisch verfügbare (Abbildung 3).

Aber trotz dieses Umstands hat die Bundesregierung beschlossen, in Deutschland bis 2022 ganz aus der Kerntechnik auszusteigen. Die Frage ist: warum? Von einem rationalen Standpunkt könnten nur die folgende Kritikpunkte der Grund gewesen sein:

  • Das Problem der Atommülllagerung

  • die Reaktorsicherheit und

  • die Verhinderung der Weiterverbreitung von Kernwaffen.

Wegen der begrenzten Zeit möchte ich mich nur auf den ersten Punkt konzentrieren.

Zunächst einige schnelle Fakten. Fast alle unsere Kernkraftwerke sind Leichtwasserreaktoren, die mit thermischen, d.h. „langsamen“ Neutronen arbeiten. Die Kettenreaktion verbessert sich so erheblich, da die langsamen Neutronen viel effizienter mit dem Brennstoff interagieren. Das hat jedoch seinen Preis, denn diese Neutronen verlieren ihre Fähigkeit, Isotope mit gerader Massenzahl zu spalten, was die Menge möglicher Kernbrennstoffe für diese Reaktoren erheblich einschränkt.

Das natürliche Uran besteht hauptsächlich aus U-238, mit gerader Massenzahl, das von den thermischen, langsamen Neutronen nicht gespalten werden kann. Deswegen wird er mit dem Isotop U-235 angereichert. Nach drei Betriebsjahren ist das meiste U-235 verbrannt, während die Menge an U-238 fast noch die gleiche ist wie zuvor. Jedoch sind neue Stoffe erbrütet worden, wie Plutonium und andere, unbedeutende Aktiniden, die man als „nuklearen Abfall“ bezeichnet.



Abb. 4: In Rußland entwickelte Technologie: der BN-800.

Mit den vor 2016 eingeführten Technologien mußten die nuklearen „Abfälle“ mehr als 300.000 Jahre sicher eingelagert werden.
Durch den 2016 in Betrieb genommenen Reaktor BN-800 in Belojarsk/Rußland entsteht ein neuer Urankreislauf, der Brennstoff kann immer wieder verwendet werden, und die wenigen Abfallstoffe müssen nur für 100 Jahre eingelagert werden.
Der BN-800 ist ein schneller Hochtemperaturreaktor, der als Kühlmittel flüssiges Natrium verwendet.


Abb. 5: Der BN-800-Reaktor. Der BN-800-Reaktor hat insgesamt fünf Schutzhüllen, um zu verhindern, daß Radioaktivität aus dem Reaktor austritt: 1. Brennstoffpellet; 2. Hülle des Brennstabes; 3. Reaktordruckgefäß; 4. Schutztank; 5. Reaktorbehälter aus Stahlbeton.
Quelle: St. Petersburg Research and Design Institute, via
http://nuklearia.de/wp-content/uploads/2015/08/Atomenergoproekt_BN-800_NPP.pdf

Das natürliche Uran wird angereichert, verbrannt, der Abfall wird abgetrennt und schließlich gelagert, und ein Teil des Brennstabes wird recycelt und wiederverwendet.

Das Problem dabei: Das Endlager muß den Abfall mehr als 300.000 Jahre sicher beherrschen, was bisher nicht erreichbar ist.

Der russische „Schnelle Brenner“ BN-800

Rußland hat sich für einen anderen Weg entschieden. Seit 2016 ist dort ein neuer Reaktortyp – BN-800 genannt – in Betrieb (Abbildungen 4 und 5). Dieser Reaktor heißt „Schneller Brenner“, nicht zu verwechseln mit „Schneller Brüter“. Dieser hier ist kein Brüter, sondern ein Brenner. Er verwendet schnelle Neutronen, weswegen diese Neutronen sämtliche schweren Isotope, auch jene mit gerader Massenzahl, mit ähnlicher Effizienz spalten können.

Das ist der Trick dabei: Dieser Reaktor kann seinen eigenen „Abfall“ in einem langen Zyklus als neuen Brennstoff immer und immer wiederverwenden. Der viel kleinere Anteil an nuklearem Abfall im Vergleich zu konventionellen Reaktoren hat den weiteren Vorteil, viel schneller zu zerfallen. Bereits nach 100 Jahren kann er aus dem Lager entnommen werden. D.h. mit dieser Technologie braucht man gar kein Endlager mehr!

Um es noch einmal zu sagen: Der BN-800 verbrennt „nuklearen Abfall“, als wäre dieser konventioneller Kernbrennstoff;

  • für die Endprodukte dieses Reaktors ist kein Endlager erforderlich

  • und dieser Reaktor ist jetzt, in diesem Augenblick, in Betrieb.

Daraus folgt auch, daß dieser Reaktor das Wort „nuklearer Abfall“ umgedeutet hat, denn was ist jetzt eigentlich Abfall?

Tatsächlich hat Lyndon LaRouche genau das vor etwa zehn Jahren vorausgesagt. Er sagte bereits damals: „Es gibt keinen nuklearen Abfall, nur haben wir derzeit nicht die Technologie, um die Endprodukte nutzen zu können.“

Ich streiche deshalb diesen Punkt aus der Liste von Kritikpunkten. Problem gelöst!

Neutronenfreie Fusion

Gehen wir schnell zu einer anderen Frage über. Ich möchte Ihnen die neuesten Entwicklungen in der Fusionsforschung zeigen.

Ich möchte Ihnen eine Firma mit Namen Tri-Alpha Energy (TAE) aus Kalifornien vorstellen. Die Mission dieser Firma ist die Beherrschung einer besonderen Form der Kernfusion, die weitestgehend unbekannt ist – die sogenannte p-B-11-Reaktion. Die Besonderheit hierbei ist die neutronenfreie Eigenschaft der Endprodukte.



Abb. 6: Arbeitsprinzip des TAE Colliding-Beam-Reaktors:

Bisher erreichte Werte: Stabiles Plasma 11 ms lang aufrecht- erhalten und 20 Mio. °C.
Ziel: Netto-Energieproduktion bei 3000 Mio. °C über 1000 ms.

Wesentliche Besonderheiten: neutronenfrei, direkte Umwandlung von Kernkraft in Elektrizität mit einem Wirkungsgrad von 90%!
Zwei Plasmaringe kollidieren mit 250 km/s und bilden bei der Kollision ein torusförmiges Plasma, das sich selbst ohne ein äußeres einschließendes Magnetfeld stabilisiert.
(Quelle: TAE Technologies)


Abb. 7: Neutronenfreier Fusionsreaktor treibt Rakete mit Ionentriebwerk an.

Direkte Umwandlung von Kernkraft in Elektrizität treibt ein Ionentriebwerk an, um 3% der Lichtgeschwindigkeit und eine permanente Beschleunigung oder Verzögerung von 1g zu erreichen, mit einer Reisezeit von zwei Wochen auf dem Weg zwischen Erde zum Mars.
(Quelle: Bussard et.al.)

Klassische Fusionsanlagen wie der Tokamak-ITER sind für die Verwendung von D-T-Brennstoff ausgelegt, der im wesentlichen zu energiereichen Neutronen als Endprodukt verbrennt. Aber diese kleinen Teilchen sind schwer zu handhaben, da sie elektrisch neutral sind und leicht sämtliche Materie durchdringen, weshalb man sie nicht leicht in Elektrizität umsetzen kann.

Bevor es zu komplex wird, möchte ich Ihnen einige Skizzen zeigen, aus denen das Prinzip schnell deutlich wird.

In der oberen Zeichnung sehen Sie einen Überblick des Reaktors. Von links und rechts werden zwei Plasmaringe abgefeuert, die in der Mitte zusammenprallen. Am Kollisionspunkt verschmelzen die beiden Ringe und bilden eine torusförmige Plasmasphäre, die sich stabilisieren und einschließen läßt. Der Rekord, der mit dieser Maschine aufgestellt wurde, war ein stabiles Plasma von etwas mehr als 10 ms. Und vor kurzem wurde gezeigt, daß man Temperaturen von bis zu 20 Mio.°C erreichen kann, was für dieses Projekt einen Meilenstein bedeutet (vgl. https://www.geekwire.com/2018/tae-technologies-pushes-plasma-machine-new-high-fusion-frontier).

Natürlich ist es noch ein langer Weg, schließlich 3 Mrd. °C für 1 s zu erreichen. Aber da die Endprodukte positiv geladen sind, funktioniert die direkte Umwandlung der Fusionsenergie in elektrischen Strom mit einem Wirkungsgrad von 90%. Man braucht keine Turbinen und keinen Dampferzeuger, was die Größe der Anlage erheblich reduziert und einen 100-MW-Reaktor von der Größe eines Lastwagens möglich macht.

Eine solche Anlage läßt einen von zukünftigen Maschinen träumen wie z.B. der, die der amerikanische Physiker Robert Bussard hier vorgeschlagen hat (Abbildung 7). Die direkte Umwandlung von Kernkraft in Strom ermöglicht es, einen Ionen-Antriebsmotor zu betreiben, der in einem stetigen Beschleunigungs- und Abbremsvorgang von +/- 1g eine Rakete auf einige Prozent Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Dadurch verkürzte sich die Reisedauer zwischen Erde und Mars auf weniger als zwei Wochen! Die inneren Planeten würden erreichbar.

Im Moment erscheint dies noch wie ein Traum, aber Wissenschaftler arbeiten tatsächlich an derartigen Maschinen.

Das bringt mich direkt zu weiteren Visionen, was mit einem solchen Fusionsreaktor möglich wäre. Was, wenn Energie extrem billig wäre, und was, wenn Energie im Überfluß verfügbar wäre?

Man könnte an Entsalzung von Meerwasser in großem Stil denken, an künstliche Erdölsynthese oder an meine Lieblingsidee, ein revolutionäres Müllrecyclingsystem, das Abfall nicht nur zu CO2 und Asche verbrennt, sondern statt dessen mit noch mehr Energie die Asche weiter in einen Plasmazustand versetzt. Dies ist natürlich ein Prozeß mit sehr hohem Energieverbrauch mit Hilfe der Lichtbogenplasma-Technologie. Aber in dem Plasmazustand wäre es möglich, jeden Bestandteil jeden Materials in seine Moleküle oder sogar Atome zu zerlegen, die dann weiter umsortiert und elementweise aus dem Abfall extrahiert werden können, was ein nahezu 100%iges Recyclingsystem ergäbe.

Letztlich bedeutete diese Idee, Hunger und Durst für alle Menschen zu beenden!

Last but not least möchte ich Sie noch an LaRouches beide letzten Gesetze erinnern. Denkt man an das, was ich eben dargestellt habe, meine ich, daß diese Forderungen weder abstrakt noch unrealistisch sind. Im Gegenteil, wenn wir diese Ziele erreichen, wäre unsere Welt in jeder Hinsicht besser, weswegen wir weiter daran arbeiten sollten, sie zu verwirklichen.

Danke für Ihre Aufmerksamkeit.

eir