WikiDer > Kernfusion

Kernfusie

Kernfusion ist die Verschmelzung der Kerne verschiedener Atome, einen weiteren, schwereren Kern bildend. Wenn Atome leichter Elemente wie Wasserstoff Verschmelzung, Teil des internen Bindungsenergie kostenlos. Diese Bindungsenergie trägt messbar zu deren Masse in Atomkernen bei (nach Albert Einstein Masse und Energie sind schließlich äquivalent: E = mc²) und somit sind die Endprodukte in diesem Fall leichter als die Summe der Massen der leichten Kerne. Schwerere Atome zu verschmelzen kostet dagegen Energie. Der Übergang zwischen 'leicht' und 'schwer' liegt in diesem Zusammenhang beim Element Eisen.

Vor dem deutschen Physiker 1938 Hans Bethe schlug vor, dass die Sonne und der Sterne Um ihre Energie durch Kernfusion zu erzeugen, war es ein Rätsel, woher all diese Energie kam; alle damals bekannten chemischen Reaktionen lieferten viel zu wenig Energie. Die Sonne wandelt pro Sekunde etwa 700 Millionen Tonnen Wasserstoff in etwa 695 Millionen Tonnen Helium um. Der Massenunterschied von rund 4,4 Millionen Tonnen entspricht der freigesetzten Energie. In hellen Sternen (wie der Sonne) verläuft die Kernfusion von Wasserstoff nach dem Proton-Proton-Zyklus, in schwerer nach Kohlenstoff-Stickstoff-Kreislauf. Bei älteren Sternen folgt nach dem Abbrennen oft der Triple-Alpha-Prozess wo Kohlenstoff gebildet wird, möglicherweise gefolgt von anderen Prozessen (wie z Kohlenstoffverbrennung) zur Bildung von Eisen.

Weil Atomkerne positiv sind geladen stoßen sie sich an? elektrostatisch aus - erst wenn sich die Kerne sehr nahe kommen, wird das (einfahrende) starke Kernkraft wichtig genug, um zur Kernfusion zu führen. Nur bei extrem hoher Temperatur und Druck (wie sie in den Zentren von Sternen vorherrschen) haben die Teilchen genug Energie, um die abstoßende elektrostatische Kraft zu überwinden.

Solche Bedingungen sind auf der Erde nicht einfach zu erreichen und die technologische Anwendung ist nicht weit verbreitet. Die Kernfusion hat jedoch ein enormes Potenzial als Energiequelle, da es auf der Erde große Mengen leichter Kerne gibt (insbesondere Wasserstoff und Isotope davon), so dass der Kraftstoff nahezu unbegrenzt zur Verfügung steht. Außerdem wird es keine Treibhausgase kostenlos und weniger radioaktiver Müll als mit Kernspaltung. Deshalb versuchen Wissenschaftler, die Kernfusion auf der Erde als saubere und sichere Energiequelle zu entwickeln. Obwohl damit große Fortschritte gemacht wurden und die Voraussetzungen für die Kernfusion inzwischen routinemäßig in spezialisierten Labors geschaffen werden können, gibt es 2020 noch keinen Prototyp, der tatsächlich Energie erzeugt. sehen Fusionsenergie für weitere Informationen zu diesem Thema.

Außerdem sind fast alle aktuellen Atomwaffen Kernfusion hat die meiste Energie, außer möglicherweise in einem Spalt-Fusions-Spaltung-Design (siehe: Wasserstoffbombe). Hiermit entsteht eine Bombe basierend auf Kernspaltung die extremen Bedingungen, die erforderlich sind, um die Fusionsreaktion auszulösen, und wirkt somit effektiv als Zünder. Für friedliche Anwendungen oder die Energiegewinnung ist dieses Verfahren jedoch nicht einfach anzuwenden.

Antwort

Schematische Darstellung der Kernfusion

Bei der Kernfusion, die in Fusionsreaktoren und Kernwaffen verwendet wird, u.a Deuteriumkern (Wasserstoff mit 1 Neutron) und ein Tritiumkern (Wasserstoff mit 2 Neutronen) umgewandelt in a Helium-4-Kern, ein Neutron und viel Energie (17,6 MeV):

Im Gegensatz zu Deuterium kommt Tritium in der Natur fast nicht vor. Es kann in a . gemacht werden Lithium Mantel um den Fusionsreaktor kann mit Neutronen gezüchtet werden:

Um Kerne zu verschmelzen gibt es einen großen kinetische Energie benötigt, um die Kerne zusammenzubringen, die bereits von ihren Elektronenhüllen befreit worden sein müssen. Ein Gas, das aus positiv geladenen . besteht Atomkerne und negativ frei Elektronen ist ein Plasma, das ist auch das vierte Aggregatzustand wird genannt. Erst wenn die Kerne nahe genug kommen, wird die Anziehungskraft starke Kernkraft greift, kann die Abstoßungskraft zwischen positiven Kernladungen negiert werden und es findet eine Fusion statt. Prinzipiell haben Wasserstoffisotope dafür mit etwa 15 Millionen . eine ausreichende Geschwindigkeit k. Für eine akzeptable Fusionsausbeute muss die Temperatur jedoch noch etwa zehnmal höher liegen, etwa 150 Millionen K.

Um die Atome unter irdischen Bedingungen so heiß zu bekommen, dass sie zu einem Plasma werden, a elektrischer Strom durch das Gas oder die Atomkerne geschickt werden mit Mikrowellenstrahlung.

Magnetischer Einschluss

Kein Material hält den zum Schmelzen erforderlichen Temperaturen stand. Im Fusionsreaktor muss das Plasma daher immer in sicherem Abstand zur Wand gehalten werden. Dafür wird das Plasma in einem Magnetfeld gehalten: Atomkerne werden positiv geladen und die Lorentzkraft auf den Kernen bewirkt, dass das Plasma im Magnetfeld einer mehr oder weniger kreisförmigen oder spiralförmigen Bahn um die Feldlinien folgt. Das Magnetfeld ist so geformt, dass Kerne, die aus dem Kreis herauskommen wollen, durch die Lorentzkraft wieder hineingedrückt werden.Beispiele für Maschinen, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind die tokamak, das stellarator und der polywell.

Trägheitsbeschränkung

Bei einer zweiten Methode zur kontrollierten Kernfusion werden kleine Hohlkugeln, die mit einem Deuterium-Tritium-Gemisch gefüllt sind, von mehreren Seiten mit Hochleistungsenergiestrahlen beschossen (Laser). Das Äußere der Kugel explodiert und komprimiert den Inhalt, so dass eine Kernfusion stattfinden kann. Dutzende von Kugeln müssten auf diese Weise pro Sekunde verschmolzen werden, um eine beachtliche Energieausbeute zu erzielen. Dieses Verfahren wird insbesondere in den USA erprobt. Die für die Komprimierung der Kugeln verwendete Computersoftware ähnelt der bei der Entwicklung von Wasserstoffbomben verwendeten. Die Laserausrüstung, die bei dieser Art von Forschung verwendet wird, ist umfangreich. Dieser Weg zur kontrollierten Kernfusion zur großtechnischen Stromerzeugung hat weltweit nicht die höchste Priorität.

Forschung

Ziel der internationalen Fusionsforschung ist die Realisierung eines Prototyps Fusionskraftwerk die die gesellschaftlichen Anforderungen erfüllt: sicherer, zuverlässiger, gut gelagerter Kraftstoff, minimale Umweltbelastung und wirtschaftlich rentabel. In der Fusionsforschung wurden im letzten Jahrzehnt bedeutende wissenschaftliche und technische Fortschritte erzielt. Das große Problem war immer, wie man den Kommentar "einsperrt". Die meisten experimentellen Installationen verwenden das oben erwähnte Prinzip des magnetischen Einschlusses. Die Umsetzung ist technisch eine große Herausforderung.

1979, in Großbritannien Baubeginn am Gemeinsamer europäischer Torus (JET) und wurde 1983 in Dienst gestellt. JET war der Erste tokamak in der Welt, in der der eigentliche Fusionsbrennstoff Deuterium und Tritium verwendet wurde. In dieser Anlage war es möglich, 16 Megawatt Leistung zu erzeugen, aber um so weit zu kommen, waren 25 Megawatt erforderlich, um das Plasma zu erhitzen. Obwohl die Nettoenergieproduktion negativ war, ist JET immer noch Weltrekordhalter in der Fusionsenergieerzeugung.

Seit 2006 arbeitet die Fusionsgemeinschaft an einem großen internationalen Fusionsexperiment, ITER. ITER steht für International Thermonuclear Experimental Reactor und ist ein Projekt zwischen der Europäischen Union, Russland, den USA, Japan, China, Indien und Südkorea. ITER, das voraussichtlich um 2035 in Betrieb gehen soll, muss zeigen, dass die Fusion als Energiequelle auf der Erde genutzt werden kann. ITER wird 500 Megawatt produzieren, zehnmal mehr als nötig ist, um die Reaktion am Laufen zu halten. Der Reaktor ist in Kadarache in SüdFrankreich gebaut.

Eine Reihe von Wissenschaftlern forscht an kalte Fusion, Kernfusion bei Raumtemperatur. Bisher waren ihre Bemühungen nicht reproduzierbar, und diese Forschungsrichtung wird nicht ernst genommen. In den späten 1980er Jahren behaupteten die Wissenschaftler Pons und Fleischmann, sie hätten Fusionsreaktionen in elektrochemisch Reaktionen. Im Jahr 2002 behauptete Dr. Taleyarkhan Kernreaktionen bei Sonolumineszenz-Tests im deuteriert Aceton, bei dem winzige Luftblasen in einer Flüssigkeit heftig kollabieren. Beide Methoden sind unbewiesen.

Magnetischer Einschluss könnte auch durch die Erzeugung von Plasmoiden erreicht werden. Dies sind toroidale "Wolken" aus Plasma, die ihr eigenes Magnetfeld für kurze Zeit aufrechterhalten können. Maschinen, die dieses Prinzip anwenden, werden als Dense Plasma Focus (DPF) bezeichnet. Die Anwendung dieser Maschine zur Stromerzeugung durch eine aneutronische Fusionsreaktion zwischen Protonen und Bor-11-Ionen wird auch genannt Fokus-Fusion erwähnt. Ob diese Methode als Energiequelle in der Praxis funktioniert, muss sich noch zeigen. Dies wird in den USA erforscht.[1]

Es funktioniert in den Niederlanden Niederländisches Institut für grundlegende Energieforschung (DIFFER) und der Kernforschungs- und Beratungsgruppe (NRG)[2] zur Kernfusion. In Belgien wird Fusionsforschung am Labor für Plasmaphysik der of Königliche Militärschule in Brüssel.

Siehe auch

Externe Links

Siehe die Kategorie Kernfusion von Wikimedia Commons für Mediendateien zu diesem Thema.