Welche für die Fusionsreaktoren benötigten Materialien könnten neben Tritium Mangelware sein?

Ausführliche Antwort

Bei allen eingesetzten Materialien gibt es hohe Anforderungen an die Reinheit. Die Gehalte an Verunreinigungen haben durch die Neutronenaktivierung einen entscheidenden Einfluss auf das spätere Abfallmanagement des jeweiligen Stoffes und damit auch auf den Preis dieser Grundstoffe.

Weiterführende Beiträge

• Gibt es Anforderungen an die Reinheit des Stahls, der in Fusionskraftwerken eingesetzt werden soll?
• Gibt es Anforderungen an die Reinheit des Berylliums, das in Fusionskraftwerken eingesetzt werden soll?

Beryllium

Beryllium ist das 48. häufigste Element auf der Erde. Die Herstellung von metallischem Beryllium erfolgt durch Schmelzflusselektrolyse (➚Wikipedia). Doch Beryllium steht für ein breit angelegtes Fusionsausbauprogramm nicht in ausreichender Menge zur Verfügung (1).

Helium

Helium als Nebenprodukt der Erdgasförderung könnte sich bei zurückgehender Erdgasförderung verknappen (1).

Lithium

Das für die Kernfusion vorgesehene Tritium muss über eine Kernreaktion aus Lithium hergestellt werden. Insofern muss man genügend Lithium haben. Lithium hat einen Anteil von etwa 0,006 % an der Erdkruste und ist damit das 27. häufigste Element. Aber der Abbau und die Gewinnung des Lithiums sind aufwändig und konkurrieren weiterhin mit anderen industriellen Anwendungsbereichen (z.B. Li-Akkus). Wichtiger ist aber, dass von den beiden natürlichen Isotopen von Lithium ⁶Li (7,6 %) und ⁷Li (92,4 %) das seltenere ⁶Li für die Tritium-Produktion bevorzugt wird (➚ Wikipedia). Man geht davon aus, dass man für 1 GW Strom in einem Fusionsreaktor pro Jahr 500 kg ⁶Li benötigt. Das mag physikalisch richtig sein, berücksichtigt aber nicht, dass man aber ⁶Li in hohem Überschuss einsetzen muss, weil ansonsten die Trefferwahrscheinlichkeit der Neutronen zu stark sinkt. Insofern scheint die Abschätzung der benötigten Lithiummenge in dem Artikel “Will fusion run out of fuel?” weit, weit untertrieben (2).

In dem Artikel von 2011 „Is nuclear fusion a sustainable energy form?“ wurde eine kritische Gesamtschau bezüglich Lithium in Konkurrenz zu den anderen Lithium-Anwendungen gemacht (3)! Die Quintessenz: Bei der Kernfusion wird das Lithium einfach „verbrannt“, d. h. unwiederbringlich verbraucht. Demgegenüber könnte man bei der Anwendung von Lithium zur Stromspeicherung von einem hohen Recyling-Faktor von ausgehen. Sollte die D-T-Fusion tatsächlich maßgeblich zur Energiegewinnung beitragen, müsste man sich langfristig auf eine Lithium-Extraktion aus dem Meer einstellen. Doch die Autoren geben zu bedenken, welche Mengen an Meer-Wasser für einen angenommenen Jahresbedarf im Jahr 2050 auf der Grundlage der Kernfusion benötigen würde: 5 x 10¹⁰ t Meerwasser müsste man extrahieren. Außerdem gaben die Autoren zu bedenken, welche ökologischen Folgen solch ein massiver Eingriff in die Meeres-Ökologie nach sich ziehen würde.

Recycling von Kernfusion–Lithium

Da man das Lithium im hohen Überschuss in den Blankets einsetzen muss, liegt eigentlich die Notwendigkeit eines Recyclings der ausgebauten Blankets nahe. Im ➚ KIT scheint man sich damit schon zu beschäftigen. Ohne in diese Problematik näher einzutauchen, wird wahrscheinlich das Recycling von Blankets auf Lithiumorthosilikatbasis eine

• komplexe, nasschemische Aufarbeitung
• unter hohen Strahlenschutzmaßnahmen,
• verbunden mit hohen Kosten

bedeuten.
Hat man solche Prozessschritte eigentlich schon in Wirtschaftlichkeitsberechnungen mit einbezogen? Höchstwahrscheinlich nicht. Ein Blanket wird dabei eher als „periodisch zu ersetzendes Modul mit pauschalen Kosten“ behandelt und nicht wie ein komplexer nuklearer Stoffstrom!

Wolfram

Wolfram ist das 26. häufigste Element auf der Erde. Aber Wolfram gilt als sogenannter Konfliktrohstoff, weil sein Abbau in Entwicklungsländern mit Menschenrechtsverletzungen, Korruption und Geldwäsche in Verbindung gebracht wird.