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Kernfusionsreaktor


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Als Kernfusionsreaktor bezeichnet man technische Reaktoren die mit Kernfusion Wärme und damit letztlich Energie in Form von Strom erzeugen. Bisher ist es noch nicht Kernfusionsreaktoren zu bauen die dauerhaft mehr elektrische Energie produzieren als sie verbrauchen.

An Kernfusionsreaktoren wird seit etwa 1960 intensiv geforscht. Die erste gesteuerte Kernfusion 1970 mit Tokamak 3 in der Sowjetunion. Die meisten Experten schätzen dass die ersten kommerziellen Kernfusionsreaktoren ungefähr ab dem Jahr 2050 zu erwarten Hauptproblem ist die Beherrschung der für die notwendigen hohen Drücke und Temperaturen . Der erste Versuchsreaktor der mehr Energie erzeugen soll als zum Aufbau des Fusionsplasmas benötigt wird ist der ITER dessen Planungsphase abgeschlossen ist. Zur Zeit Verhandlungen ob er in Frankreich oder Japan wird.

Die Kernfusion wird von ihren Befürwortern Energiequelle der Zukunft angesehen die nach Überwindung technischen Schwierigkeiten auf lange Sicht zur Verfügung werde. Die genannten Vorteile sind

  • ein quasi unbegrenzt vorhandener Brennstoff ( Schwerer Wasserstoff und Lithium ) der noch dazu leicht zu gewinnen preiswert ist;
  • eine freie weltweite Verfügbarkeit so dass politischen Abhängigkeiten aufteten;
  • keine Abgase insbesondere keine Treibhausabgase wie 2 ;
  • keine Kernreaktion die außer Kontrolle laufen da die Zündbedingungen aufwendig aufrechterhalten werden müssen das Brennstoffinventar im Reaktor klein ist (<500g Superschwerer Wasserstoff ).
  • keine Verwendung von Kernwaffenmaterial daher keine von Kernwaffen ;
  • weniger radioaktive Abfallprodukte mit geringerer Halbwertzeit im Vergleich Kernspaltung .

Die ersten Fusionsreaktoren sollen die Deuterium - Tritium -Reaktion (D+T) nutzen. <math> D \ + T \ \rightarrow \ ^4He \ + n </math> Diese Reaktoren erbrüten das Tritium dem Metall Lithium und stellen daher nur eine bedingte Sicherung des Energiebedarfs (einige tausend Jahre) dar. mit der Deuterium-Helium-3 (<math>D \ + \ oder der Deuterium-Deuterium-Reaktion (D+D) die allerdings erst noch wesentlich höheren Temperaturen stattfinden wäre eine Energieversorgung gegeben.

Im Vergleich mit der Kernspaltung wird wenig radioaktives Material erzeugt. Es entsteht aufgrund Aktivierung der Reaktorwände durch die bei der freigesetzten Neutronen. Durch Wahl geeigneter Baumaterialen kann Art der entstehenden Isotope und somit deren Halbwertzeiten kontrolliert werden. Es gilt als sicher die Halbwertszeiten der entstehenden Isotope generell nur nicht aber Zehntausende von Jahren betragen. Daher eine Endlagerung zum größten Teil.

Kritiker weisen auf die in weiter Zukunft liegende Verfügbarkeit hin und geben zu bedenken dass der Sicherheit und Umweltverträglichkeit erst bei einem weiter Konzept beantwortbar seien. Das im Reaktor erbrütete ist radioaktiv das Brutmaterial Lithium ist höchst Außerdem sei noch nicht klar inwiefern die mit herkömmlichen Energiequellen konkurrieren könne da man geringen Kosten für den Brennstoff und die hohen des Reaktors berücksichtigen muss. Kalkulationen ergeben das 1-2fache des heutigen Strompreises. Da Fusionskraftwerke physikalischen Gründen Großkraftwerke im GW-Bereich sein werden sie sich leicht in die bestehende Strom-Infrastruktur

Bislang stehen noch bedeutende technische Probleme den theoretischen Kenntnissen und einem laufenden Prototypen. ist nicht endgültig geklärt ob ein Fusionsreaktor nutzbar Energie liefern kann. Mit ITER soll werden ob die Vergrößerung des Reaktors das bessere Verhältnis von aufgewendeter zu gewonnener Energie Der Nachfolger von ITER DEMO soll um das Jahr 2040 schließlich nutzbare Energiegewinnung demonstrieren.

Das Kernproblem ist der Einschluss des Wasserstoff plasmas bei einer Dichte und einer Temperatur Mio Grad) bei der die Kernfusion stattfinden

Inhaltsverzeichnis

Reaktortypen

Ein Reaktor muss zwei Zwecke erfüllen:

  1. Einschluss des Plasmas derart dass eine Reaktion aufrechterhalten wird;
  2. Abfuhr von Energie zur technischen Nutzung.

Es werden mehrere Möglichkeiten verfolgt den zu bewerkstelligen: Magnetfeldeinschluss: In Tokamaks und Stellaratoren schließt ein torusförmiges verdrilltes Magnetfeld das ein. Tokamaks erzeugen die Verdrillung durch Induzieren elektrischen Stroms in das Plasma Stellaratoren haben spezielle komplizierte Formen der Magnetfeldspulen.

Inertieller oder Trägheitseinschluss: Hierbei wird der in Form kleiner Kügelchen (Pellets) durch Laserpulse Schwerionenstrahlen in kurzer Zeit zur Zündung gebracht. Reaktion läuft so lange ab wie der durch seine Masseträgheit zusammenhält.

Farnsworth-Hirsch Fusor-Reaktoren erzeugen mittels eine elektrischen durch das Plasma dort das Magnetfeld und das Brennmaterial ein.

Kalte Kernfusion

Einige Forscher haben behauptet Kernfusion im an Katalysatoren bei tiefen Temperaturen beobachtet zu Diese kontroversen Experimente gelten heute als pseudowissenschaftlich . Die damals gemessenen Wärmefreisetzungen werden von zumeist mit unerwarteten chemischen Reaktionen erklärt.

Der Begriff "Kalte Fusion" geht auf Vorschlag von Andrej Saccharov von 1948 zurück (funktionierende aber ineffiziente) Myonen-katalysierte Kernfusion: Ein Myon verdrängt das Elektron eines Tritiumatoms. Auf der hohen Masse des Myons ist sein um den Tritiumkern nun wesentlich kleiner. Dieses Tritiumatom lagert sich dem Deuteriummolekül an. Deuterium- Tritiumatom kommen sich dabei nahe genug um fusionieren. In 99.4% der Fälle wird das wieder freigesetzt und kann so weitere Kernreaktionen Mit einer Lebensdauer von 2.2 Mikrosekunden überlebt Myon mehr als 100 Reaktionen dabei werden 2 GeV (Giga Elektronenvolt ) an Energie frei. Leider gibt es effizienten Weg um Myonen (Ruhemasse <math>m_0</math> = MeV) herzustellen. Für die Produktion in Teilchenbeschleunigern pro Myon ca eine Energie von 3 aufgewendet werden.

Kernfusion im Labormaßstab

Jüngst machte erneut ein Team rund den Forscher Taleyarkhan mit einem spektakulären Fusionsexperiment sich aufmerksam. Demzufolge wurden im Rahmen der Sonolumineszenz die Produktion von Neutronen beobachtet. Dabei es sich um Gasblasen in Flüssigkeiten die Ultraschall angeregt werden und beim Kollabieren kurzzeitig hohe Drücke und Temperaturen erreichen. Dabei kommt zur Licht-Aussendung und der zitierten Arbeit zufolge zur Kernfusion. Hauptkritikpunkt an den Arbeiten ist auch Neutronen verwendet wurden um die Gasblasen zu erzeugen. Das Meßsignal kann diese Anregungsneutronen sicher genug von den Fusionsneutronen unterscheiden.

Es handelt sich hier zwar falls Experimente sich bestätigen ebenfalls um Kernfusion in Anlagen aber nicht um "kalte" Kernfusion da hohe Temperaturen und Drücke erreicht werden. Unklar auch hier die Energiebilanz also das Verhältnis zugeführter Schallenergie zu erzeugter Fusionsenergie.

Heizen des Plasmas

Während einer laufenden Kernfusion können die Heliumkerne die Energie zur Aufrechterhaltung der für Fusionsreaktion notwendigen Temperatur liefern. Um die Fusion Gang zu bringen muss das Wasserstoffplasma allerdings etwa 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Zu Zweck sind verschiedene Konzepte entworfen worden.

Elektrisches Heizen

Das Plasma ist ein elektrischer Leiter kann mittels eines induzierten elektrischen Stroms erwärmt Allerdings steigt die Leitfähigkeit des Plasmas mit Temperatur so dass der dem Strom entgegengesetzte ab etwa 20-30 Millionen Grad nicht mehr das Plasma stärker aufzuheizen.

Neutralteilchen-Einschuss

Das Einschießen von neutralen Atomen in Plasma ist eine weitere Methode. Die kinetische der Atome (die im Plasma sofort ionisiert dient zum Aufheizen des Plasmas.

Magnetische Kompression

Ein Gas kann durch schnelles ("adiabatisches") erwärmt werden. Dasselbe kann mit einem Plasma werden und ein Magnetfeld ist geeignet das zusammenzupressen. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Methode ist das Plasma gleichzeitig dichter wird und somit höhere Reaktionsrate erhält. Nachteilig ist dass das Plasma u.U. nur noch einen kleinen Teil Volumens des Reaktionsgefäßes einnimmt.

Elektromagnetische Wellen

Mikrowellen können die Ionen und Elektronen Plasma auf ihren Resonanzfrequenzen anregen und somit in das Plasma übertragen.

Selbstheizung der Reaktion

20% der freigesetzten Energie ist kinetische der erzeugten Helium-Atomkerne. Durch Stöße wird diese auf die im Plasma befindlichen Deuterium- und übertragen und erhöht somit die Temperatur des

Brennmaterial

Deuterium-Tritium-Reaktoren

Die einfachst erreichbare Kernfusion ist die Deuterium und Tritium. Daher wird sie auch eingesetzt werden.

Diese Reaktion besitzt allerdigs folgende Nachteile:

  1. Das erforderliche Tritium ist radioaktiv.
  2. Bei der Reaktion entstehen viele Neutronen das Reaktormaterial radioaktiv aktivieren.

Die Erbrütung von Tritium findet meistens Blanket des betreffenden Fusionsreaktors statt.

Insbesondere der Neutronenfluss der den eines Kernspaltungsreaktors um den Faktor 100 übertrifft stellt Problem dar. Zum einen altern die Materialien denen der Reaktor besteht dadurch verstärkt. Zum können durch Kernreaktionen zwischen den Neutronen und radioaktive Isotope gebildet werden. Bei der Wahl verwendeten Materialien muss dies berücksichtigt werden um Lebensdauern der erzeugten Isotope kurz zu halten.

Die Neutronen sind die Teilchen deren letztlich zur Stromerzeugung verwendet wird da sie neutrale Teilchen das einschließende Magnetfeld verlassen und Energie an einen Kühlkreislauf abgeben können. Weiterhin mit ihrer Hilfe das in der Natur vorkommende Tritium aus Lithium erbrütet werden:

(7.6% Vorkommen) <math> \ ^6Li \ \ n \ \rightarrow \ ^4He \ \ ^3H </math>

(92.4% Vorkommen) <math> \ ^7Li \ \ n \ \rightarrow \ ^4He \ \ ^3H \ + \ n' </math>

Deuterium-Deuterium-Reaktoren

Bei der D-D-Reaktion ist kein Erbrüten Brennstoffs nötig. Zwei Reaktionen sind möglich:

<math> \ D \ + \ \ \rightarrow \ p \ + \ </math>

<math> \ D \ + \ \ \rightarrow \ n \ + \ </math>

Folgereaktionen:

<math> p \ + \ T \rightarrow \ ^4He \ + \ \gamma

<math> D \ + \ T \rightarrow \ n \ + \ ^4He

<math> D \ + \ ^3He \rightarrow \ p \ + \ ^4He

<math> T \ + \ T \rightarrow \ 2 n \ + \ </math>

Schwerere Materialien

Es ist vorgeschlagen worden Materialien wie Beryllium oder Bor zu fusionieren. Derartige Reaktionen wenige Neutronen freisetzen und die Energie in Teilchen abgeben also leicht zu nutzen sein.

Trotz dieser attraktiven Eigenschaften wird der solcher Materialien aufgrund einer im Vergleich zur 5-fach höheren Reaktionstemperatur nicht erwartet.

Kernfusionexperimente

Tokamaks

Stellaratoren

  • Wendelstein-7X - Greifswald Deutschland

Trägheitseinschluss

  • NIF
  • inertial electrostatic confinement

Weblinks




Bücher zum Thema Kernfusionsreaktor

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