Fusionsreaktor

Allgemeine Eigenschaften

Der Energieerzeugungsmechanismus in einem Fusionsreaktor ist das Zusammenfügen von zwei leichten Atomkernen. Wenn zwei Kerne verschmelzen, wird eine kleine Menge Masse in eine große Menge Energie umgewandelt. Energie (E) und Masse (m) sind durch Einsteins Beziehung E = mc2 durch den großen Umrechnungsfaktor c2 verbunden, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist (etwa 3 × 108 Meter pro Sekunde oder 186.000 Meilen pro Sekunde). Masse kann auch durch Kernspaltung, die Spaltung eines schweren Kerns, in Energie umgewandelt werden. Dieser Spaltprozess wird in Kernreaktoren verwendet.

Fusionsreaktionen werden durch die elektrische Abstoßungskraft, die Coulomb-Kraft, gehemmt, die zwischen zwei positiv geladenen Kernen wirkt. Damit eine Fusion stattfinden kann, müssen sich die beiden Kerne mit hoher Geschwindigkeit nähern, um ihre elektrische Abstoßung zu überwinden und einen ausreichend kleinen Abstand (weniger als ein Billionstel Zentimeter) zu erreichen, damit die starke Kraft im Nahbereich dominiert. Für die Erzeugung nützlicher Energiemengen muss eine große Anzahl von Kernen fusioniert werden; das heißt, ein Gas von fusionierenden Kernen muss erzeugt werden. In einem Gas bei extrem hohen Temperaturen enthält der durchschnittliche Kern genügend kinetische Energie, um eine Fusion zu durchlaufen. Ein solches Medium kann durch Erhitzen eines gewöhnlichen Gases über die Temperatur hinaus erzeugt werden, bei der Elektronen aus ihren Atomen herausgeschlagen werden. Das Ergebnis ist ein ionisiertes Gas, das aus freien negativen Elektronen und positiven Kernen besteht. Dieses ionisierte Gas befindet sich in einem Plasmazustand, dem vierten Zustand der Materie. Der größte Teil der Materie im Universum befindet sich im Plasmazustand.

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Das Herzstück experimenteller Fusionsreaktoren ist ein Hochtemperaturplasma. Die Fusion erfolgt zwischen den Kernen, wobei die Elektronen nur vorhanden sind, um die makroskopische Ladungsneutralität aufrechtzuerhalten. Die Temperatur des Plasmas beträgt etwa 100.000.000 Kelvin (K; etwa 100.000.000 ° C oder 180.000.000 ° F), was mehr als dem Sechsfachen der Temperatur im Zentrum der Sonne entspricht. (Höhere Temperaturen sind für die niedrigeren Drücke und Dichten erforderlich, die in Fusionsreaktoren auftreten. Ein Plasma verliert Energie durch Prozesse wie Strahlung, Leitung und Konvektion, so dass die Aufrechterhaltung eines heißen Plasmas erfordert, dass Fusionsreaktionen genug Energie hinzufügen, um die Energieverluste auszugleichen. Um dieses Gleichgewicht zu erreichen, muss das Produkt aus der Dichte des Plasmas und seiner Energieeinschlusszeit (der Zeit, die das Plasma benötigt, um seine Energie zu verlieren, wenn es nicht ersetzt wird) einen kritischen Wert überschreiten.Sterne, einschließlich der Sonne, bestehen aus Plasmen, die durch Fusionsreaktionen Energie erzeugen. In diesen natürlichen Fusionsreaktoren wird das Plasma durch das immense Gravitationsfeld unter hohem Druck gehalten. Es ist nicht möglich, auf der Erde ein Plasma zu sammeln, das so massiv ist, dass es gravitativ begrenzt ist. Für terrestrische Anwendungen gibt es zwei Hauptansätze zur kontrollierten Fusion — nämlich magnetische Beschränkung und Trägheitsbeschränkung.

Im magnetischen Einschluss wird ein Plasma niedriger Dichte für einen langen Zeitraum durch ein Magnetfeld begrenzt. Die Plasmadichte beträgt ungefähr 1021 Partikel pro Kubikmeter, was viele tausend Mal weniger ist als die Dichte von Luft bei Raumtemperatur. Die Energieeinschlusszeit muss dann mindestens eine Sekunde betragen— d.h. die Energie im Plasma muss jede Sekunde ausgetauscht werden.

Im Trägheitseinschluss wird kein Versuch unternommen, das Plasma über die Zeit hinaus einzuschließen, die das Plasma zum Zerlegen benötigt. Die Energieeinschlusszeit ist einfach die Zeit, die das Schmelzplasma benötigt, um sich auszudehnen. Nur durch seine eigene Trägheit begrenzt, überlebt das Plasma nur etwa eine Milliardstel Sekunde (eine Nanosekunde). Daher erfordert der Break-Even in diesem Schema eine sehr große Partikeldichte, typischerweise etwa 1030 Partikel pro Kubikmeter, was etwa dem 100-fachen der Dichte einer Flüssigkeit entspricht. Eine thermonukleare Bombe ist ein Beispiel für ein inertial begrenztes Plasma. In einem Inertial-Confinement-Kraftwerk wird die extreme Dichte erreicht, indem ein millimetergroßes Feststoffpellet mit Lasern oder Partikelstrahlen komprimiert wird. Diese Ansätze werden manchmal als Laserfusion oder Teilchenstrahlfusion bezeichnet.

Die am wenigsten schwer zu erreichende Fusionsreaktion kombiniert ein Deuteron (den Kern eines Deuteriumatoms) mit einem Triton (den Kern eines Tritiumatoms). Beide Kerne sind Isotope des Wasserstoffkerns und enthalten eine einzige Einheit positiver elektrischer Ladung. Die Deuterium-Tritium (DT) -Fusion erfordert daher, dass die Kerne eine geringere kinetische Energie haben als für die Fusion von höher geladenen, schwereren Kernen. Die beiden Produkte der Reaktion sind ein Alphateilchen (der Kern eines Heliumatoms) mit einer Energie von 3, 5 Millionen Elektronenvolt (MeV) und ein Neutron mit einer Energie von 14.1 MeV (1 MeV ist das Energieäquivalent einer Temperatur von etwa 10.000.000.000 K). Das Neutron ohne elektrische Ladung wird nicht durch elektrische oder magnetische Felder beeinflusst und kann dem Plasma entweichen, um seine Energie in einem umgebenden Material wie Lithium abzuscheiden. Die in der Lithium- „Decke“ erzeugte Wärme kann dann mit herkömmlichen Mitteln, wie dampfgetriebenen Turbinen, in elektrische Energie umgewandelt werden. Die elektrisch geladenen Alphateilchen kollidieren unterdessen mit den Deuteronen und Tritonen (durch ihre elektrische Wechselwirkung) und können magnetisch im Plasma eingeschlossen werden, wodurch ihre Energie auf die reagierenden Kerne übertragen wird. Wenn diese Wiederablagerung der Fusionsenergie in das Plasma die vom Plasma verlorene Leistung übersteigt, wird das Plasma selbsterhaltend oder „gezündet“.“Obwohl Tritium nicht natürlich vorkommt, entstehen Tritonen und Alphateilchen, wenn Neutronen aus den D-T-Fusionsreaktionen in der umgebenden Lithiumdecke eingefangen werden. Die Tritonen werden dann wieder in das Plasma eingespeist. In dieser Hinsicht sind D-T-Fusionsreaktoren einzigartig, da sie ihren Abfall (Neutronen) verwenden, um mehr Brennstoff zu erzeugen. Insgesamt verwendet ein D-T-Fusionsreaktor Deuterium und Lithium als Brennstoff und erzeugt Helium als Reaktionsnebenprodukt. Deuterium kann leicht aus Meerwasser gewonnen werden – etwa eines von 3.000 Wassermolekülen enthält ein Deuteriumatom. Lithium ist auch reichlich vorhanden und kostengünstig. Tatsächlich gibt es genug Deuterium und Lithium in den Ozeanen, um den Energiebedarf der Welt für Milliarden von Jahren zu decken. Mit Deuterium und Lithium als Brennstoff wäre ein D-T-Fusionsreaktor eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle.

Ein praktischer Fusionsreaktor hätte auch mehrere attraktive Sicherheits- und Umweltmerkmale. Erstens würde ein Fusionsreaktor nicht die Schadstoffe freisetzen, die mit der Verbrennung fossiler Brennstoffe einhergehen — insbesondere die Gase, die zur globalen Erwärmung beitragen. Zweitens, weil die Fusionsreaktion keine Kettenreaktion ist, kann ein Fusionsreaktor keine außer Kontrolle geratene Kettenreaktion oder „Kernschmelze“ durchlaufen, wie es in einem Spaltreaktor passieren kann. Die Fusionsreaktion erfordert ein begrenztes heißes Plasma, und jede Unterbrechung eines Plasmakontrollsystems würde das Plasma auslöschen und die Fusion beenden. Drittens sind die Hauptprodukte einer Fusionsreaktion (Heliumatome) nicht radioaktiv. Obwohl einige radioaktive Nebenprodukte durch die Absorption von Neutronen im umgebenden Material erzeugt werden, gibt es Materialien mit geringer Aktivierung, so dass diese Nebenprodukte viel kürzere Halbwertszeiten haben und weniger toxisch sind als die Abfallprodukte eines Kernreaktors. Beispiele für solche niedrigaktivierenden Materialien sind spezielle Stähle oder keramische Verbundwerkstoffe (z.B., Siliziumkarbid).

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