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SF-RPG: Energie

Kategorie Rollenspiel
2. Kategorie Technik
Inhalt
In SF-RPG: Technik schrieb ich:
Zitat:
„Ich habe mich dann für ein eher realitätsnahes technisches Setting entschieden. Einem, in dem es keine rückstoßfreien Antriebe gibt, sondern in dem Masse das Schiff verlassen muss, um es anzutreiben (fast so wie in einer Rakete). Einem, in dem die Energie durch Kernfusion (immerhin absehbar) erzeugt wird, und in dem es keine Transporter / Transmitter gibt.”
Dafür wäre es nützlich zu wissen, wie viel Energie ein Schiff zur Verfügung hat, denn dann kann man sich die Antriebsleistung immerhin halbwegs ausrechnen.

Nun kann man nicht wissen, was die Zukunft in Punkto Reaktoren genau bringt, aber es gibt ein paar begrenzende Parameter, die relativ sicher sind.

Der erste Frage ist: Wie wird Energie erzeugt werden?
  • Antimaterie: Das ist durchaus fraglich - immerhin ist Antimaterie durchaus schwer handhabbar und extrem gefährlich. Außerdem müsste man sie erstmal herstellen, was irgendwo anders hohe Energiekosten verursachen dürfte. Antimaterie ist insofern keine Energiequelle, sondern ein Energiespeicher. Es ist nicht auszuschließen, dass Antimaterie irgendwann zur Energieerzeugung genutzt werden könnte, aber in Anbetracht der Gefahren dürfte das noch eine Weile auf sich warten lassen.
  • Kernzerfall: Grundsätzlich dürfte sich auch ein großes Raumschiff damit antreiben lassen. Die Gefahren sind bekannt und im Grunde beherrschbar (dass auf Planungen aus den 60ern entstandene Reaktoren sich als unbeherrschbar erwiesen haben, spricht nicht grundsätzlich gegen die Technik. Wenn man erst mal im All ist, kann man Reaktoren auch im All bauen und bestücken - und da auch den Müll entsorgen). Die erzielbaren Energiedichten (wieviel Energie kann pro Kubikmeter erzeugt werden?) sind immerhin recht groß (wenn man Reaktorkonzepte aus den 60ern mal beiseite lässt, die aus mittlerweile historischen Gründen mit extrem niedrigen Temperaturen extrem unwirtschaftlich arbeiten). Ein ganz grundsätzliches Problem haben die Dinger aber: Man braucht unheimlich schwere Abschirmungen zwischen Reaktor und in der Nähe arbeitenden Menschen.
    Ein zweites ist, dass sie im Problemfall schwer wartbar sind, aber das könnte man ja im All recht pragmatisch handhaben: Man stößt den kaputten Reaktor ab, und fliegt mit anderen Reaktoren etwas langsamer weiter. Allerdings sind die Dinger total uncool.
  • Kernfusion: Immerhin, die Technik kommt langsam in Reichweite. Zwar soll es nach aktuellen Planungen noch rund 40 Jahre dauern, bis die ersten kommerziell nutzbaren Reaktoren zur Verfügung stehen (wer kennt den Witz mit der Fusionskonstante nicht? Die gibt es, und hat den Wert 30 Jahre - so lange sind wie seit 60 Jahren immer davon entfernt geblieben), aber das könnte sich diesmal als realistisch oder sogar leicht pessimistisch erweisen.
    Es dürfte eine sichere Wette sein, dass die Technik spätestens 2100 zur Verfügung steht (lang genug hätte es dann ja auch gedauert).

Kernfusion

Kernfusion hat das Potential, nahezu unendlich viel Energie in Form von Wärme zur Verfügung zu stellen. Allerdings werden wir kaum unendlich viel Energie gewinnen können, denn Wärme verbreitet sich unkontrolliert, und kann niemals perfekt abgeschirmt werden. Das heißt, es entsteht immer irgendwie Abwärme, die nicht bis zum Stromgenerator kommt, sondern den Reaktor selbst aufheizt - und ab irgendeinem Punkt wird der das nicht mehr mögen (spätestens wenn die Supraleiter versagen).
Wenn wir mal annehmen, dass der Reaktor nur 10 Prozent Abwärme hat (ein Traumwert), und ein Gigawatt Hitze erzeugt, dann heißt das, dass wir 100 Megawatt Abwärme los werden müssen - und es heißt auch, dass die Innenwand des Reaktors mit 100 Megawatt Hitze leben können muss.
Nehmen wir mal an, dass Material verfügbar ist, dass 5 MW pro Quadratmeter Oberfläche aushält, dann hat unsere Reaktor eine Innenoberfläche von mindestens 20 Quadratmeter - wahrscheinlich würde man da allerdings gerne noch Sicherheitsreserven einplanen für den Fall dass etwas ganz fürchterlich schief geht.
Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist etwa 4200 Joule pro Kilogramm und Grad (das ist ein hoher Wert). Das heißt, es kostet 4200 Joule, ein Kilogramm Wasser um ein Grad zu erwärmen. Wollten wir den Reaktor mit Wasser kühlen, bräuchten wir für die Abwärme einer Sekunde 238 Kubikmeter Wasser, die wir jeweils von 0 Grad auf 100 Grad aufheizen könnten. Ersatzweise könnten wir flüssiges Lithium von 180 Grad auf 1340 Grad aufheizen, was bei einer Wärmekapazität von 4300 J pro KG und Grad immer noch 20 Kubikmeter Kühlflüssigkeit bedeuten würden (übrigens ist das nur der Teil der Flüssigkeit, der gerade aufgeheizt wird. Was gerade gekühlt werden muss, ist anderswo…).
Das soll jetzt vor allem verdeutlichen, dass der Reaktor ein gravierendes thermisches Problem darstellt. Auch wenn es möglich wäre, die Plasmadichten nach Belieben zu vergrößern und im Zentrum des Reaktors extrem viel Hitze zu erzeugen, würde doch die Abwärme in der Praxis die Leistungsdichten begrenzen.
Sehr wahrscheinlich werden die materialtechnischen Grenzen den Reaktor der Zukunft dominieren. Nun können wir die nicht absehen, weil Zukunft halt Zukunft ist, aber im Moment liegen die Grenze etwa bei einer Schmelztemperatur von 4200° C (Tantalhafniumcarbid - wobei das, glaube ich, noch nicht in Massen herstellbar ist. Aber ganz sicher ist es recht teuer). Typische Isolationsmaterialien halten das schon lange nicht mehr als (da kommen wir auf 1400° C für Aerogele), und Kühlflüssigkeiten sind dabei auch schon alle verdampft.
Wobei es nicht wirklich schlimm ist, dass die Kühlflüssigkeiten verdampft sind - das kann man beispielsweise in Heat-Pipes nutzen, aber dann wird das Gesamtvolumen der Kühlanlage deutlich zunehmen (und die Komplexität erst recht). Alternativ könnte man die Kühlflüssigkeit unter Hochdruck betreiben, und das Verdampfen damit etwas herauszögern, aber auch das treibt die Komplexität der Anlagen deutlich nach oben.
Langer Rede kurzer Sinn: Der Reaktor wird wahrscheinlich kleiner sein als seine Kühlanlage (die Situation haben wir heute auch schon - die Kühltürme sind meist größer als der Rest der Kraftwerke).

Varianten

Theoretisch denkbar sind einige Varianten. Die Einfachste ist die D-T-Fusion, bei der zwei schwere Wasserstoffisotope, nämlich Deuterium und Tritium, verschmolzen werden. Sie erzeugt Hitze und leider auch einige Neutronen. Einfach ist übrigens hier relativ - sehr relativ. Das braucht 800 Millionen Grad…
Andere Varianten sind erheblich schwieriger, haben aber teilweise den Vorteil, nur geladene Teilchen als Fusionsprodukte zu haben - die könnte man theoretisch gleich in Strom wandeln, oder ein einem Antrieb durch eine magnetische Düse nach draußen schicken. Eine solche Variante wäre die Fusion von Deuterium und Helium3. Deuterium findet man im Wasser auf der Erde - aber Helium3? Jupiter und Uranus (und ganz wenig im Mondgestein: 100 Millionen Tonnen Gestein enthalten gerade mal eine Tonne He3). In der Uranus-Atmosphäre findet man immerhin in 100000 Tonnen Atmosphäre eine Tonne He3.
He3 hat aber noch zwei andere Probleme: Alle Reaktionen damit sind erheblich schwerer aufrecht zu erhalten (die Bedingungen sind auch schwerer zu erreichen - sie brauchen beispielsweise mehr Temperatur und / oder Druck) - und das Zeug ist relativ fusionsfaul. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Atome D und He3 fusionieren, ist erheblich geringer als bei D und T (2 Größenordnungen).
Für das Spiel gehe ich daher von einer Deuterium-Tritium-Fusion aus.

Generatoren

So ein Reaktor erzeugt Wärme. Wärme ist leider kein Strom, und für die Umwandlung braucht man einen Generator.
Generatoren sind eine bekannte Größe. Das heißt, wir wissen, dass mehrere gute Generatoren hintereinander geschaltet einen Wirkungsgrad von 60 Prozent erreichen können (das ist erheblich besser als die ungefähr 35 Prozent, die man für 50 Jahren erreichte). Wir wissen, dass die Dinger gewaltig groß sind, und wir wissen, dass sie am besten funktionieren, wenn möglichst heiße Masse einströmt.
2012 lagen große Turbogeneratoren bei etwa 135 kW pro Kubikmeter und 50% Wirkungsgrad (60%, wenn man mehrere hintereinander schaltet). Nur wird sich die Effizienz voraussichtlich durch Einsatz von Supraleitern verbessern lassen, und man wird wahrscheinlich Reibungsverluste weitgehend ausschalten können, aber dennoch wird dank der Gesetze der Thermodynamik immer Abwärme entstehen.
Vermutlich wird die Effizienz sich bald auf 75% steigern lassen - aber sie wird nie 100 Prozent erreichen. Und effiziente Generatoren sind groß - und bleiben voraussichtlich groß. Hier gibt es ganz deutliche Skalierungseffekte. Das ist keine gute Nachricht für die Freunde extrem kleiner Reaktoren.
Wo ich schon mal die Thermodynamik erwähnt habe: Heiße Abwärme ist wünschenswerter als Kalte, denn wie leicht sich Hitze abstrahlen lässt, hängt von der vierten Potenz der Temperatur ab. Und die Wärme, die den Generator verlässt und nicht mehr genutzt wird, ist Abwärme. Es mag durchaus sein, dass man, um sie zu loszuwerden, besser dran ist, sie mit 600° K abzustrahlen als mit 300° K, weil man sonst 16 mal so große Radiatoren bräuchte.
Die Generatoren werden übrigens auch größer sein als die eigentlichen Reaktoren - und auch sie werden Kühlung brauchen.

Brennstoff

Der lässt sich erfreulich einfach bestimmen: Man wird etwa 340 Terajoule pro Kilogramm Brennstoff (D-T) erzeugen können. Ein Kilogramm reicht also aus, um 4 Tage lang ein 1 Gigawatt (Brutto) Hitze zu erzeugen.

Gesamtleistung

Die Gesamteffizienz des Systems errechnet sich so (mal angenommen, im Jahr 2300 wären ein paar Sachen besser geworden):
  • Man nehme die Bruttoleistung des Reaktors - also pro Sekunde erzeugte Hitze. Den Wert nennen wir Brutto-Energie. Beispiel: 1 Gigawatt.
  • Die Bruttoenergie multiplizieren wir mit einer angenommenen Effizienz des Reaktors von 93% (ich bin manchmal etwas optimistisch). Daraus ergibt sich die Wärme, der in den Generator kommt. Hier: 930 Megawatt.
  • Bruttoenergie abzüglich dieser 930 Megawatt sei die Hitzeentwicklung durch den Reaktor selbst: 70 Megawatt.
  • Der Generator habe eine Effizienz von 85%. Damit macht er aus den 930 MW Hitze 790 Megawatt Strom.
  • … und 140 Megawatt Abwärme.
  • Von den 790 Megawatt werden wir nun einige verbrauchen, um die Magnetfelder des Reaktors zu füttern und den Brennstoff zu beschleunigen, und so weiter. Das könnte rund 50 Megawatt kosten (schwer vorherzusagen).
Damit haben wir insgesamt 740 nutzbare Megawatt Strom und damit eine Effizienz, über alles, von 74 Prozent - das ist gar nicht schlecht. Heutige Kernkraftwerke liegen bei 35 Prozent, je nachdem, wie dreist gelogen wird.
Eine Randnotiz: Wenn über die Effizienz von Kernkraftwerken geredet wird, wird meist gelogen, aber in jedem Fall sind die Zahlen wertlos, weil manchmal mit einem hypothetischen Brennwert der Brennstäbe gerechnet wird, oder ein fiktiver Wirkungsgrad von 33% eingesetzt wird, weil der Brennwert ja idiotisch wäre.
Nirgends aber scheint das Verhältnis von Bruttowärme zu Nettostrom veröffentlich zu werden - was aber die einzige Zahl wäre, die eine Bedeutung haben könnte.
Man kann allerdings davon ausgehen, dass es um die Effizienz bei den Reaktoren sehr traurig bestellt ist - einfach weil Wasser Moderator und Kühlflüssigkeit ist, und es auch bei hohem Druck nicht beliebig heiß werden kann (das ist ein Grund, warum schnelle Brüter um ein Vielfaches effizienter sein könnten. Sie fliegen allerdings, bei der üblichen Qualität der Spar- und Sicherheitsmaßnahmen, bestimmt auch schneller in die Luft).
Die Thermodynamik lässt wieder grüßen: Ein Generator ist um so effizienter, um so größer die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangstemperatur ist. Bei den geradezu lächerlichen 330° Celsius, die aus dem typischen Kernreaktor heraus kommen, wird sie offensichtlich erheblich geringer sein als bei einem modernen Gaskraftwerk (500 oder 600 Grad).
Eine weitere Randbemerkung: Ich bin nicht wirklich ein Gegner der Kernkraftwerkstechnik. Mich faszinieren die Dinger sogar.
Bloss wünschte ich:
  1. diese Dinger würden von Unternehmen betrieben werden, deren Zeithorizont nicht ausgerechnet der nächste Quartalsbericht wäre.
  2. das Thema Endlager wäre angegangen worden, bevor die Dinger in Betrieb gingen (ich meine mit angegangen nicht notwendigerweise fertiggestellt, aber wenigstens hätten ein Bauplan und ein Budget da sein müssen).
  3. die Anlagen würden mal ersetzt werden, bevor sie auseinander fallen. Es ist ja nicht so, dass seit 1970 (wo begonnen wurde, die neueren Anlagen zu planen) keinerlei Erkenntnisse hinzu gekommen wären.

Als Endlager eignen sich übrigens im eng besiedelten Europa nur wenige Gebiete. Am geeignetsten ist in Deutschland noch der Keller unter dem Bundestag - möglicherweise könnte man damit den Beweis erbringen, dass Radioaktivität die Gehirnfunktion anregt.
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