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Übersicht
Der Kernfusion liegt eine Reaktion zwischen zwei Wasserstoffisotopen , z.B. Deuterium und Tritium, zu Grunde: 2H+ + 3H+ © 4He2+ + n0. Bei dieser Reaktion wird, nach dem Gesetz für den Massendefekt von A. Einstein, Energie frei. Um die Verschmelzung der Wasserstoffkerne zu Heliumkernen zu starten, muß das Wasserstoffgas auf eine Temperatur von über 100 Millionen Grad Celcius erhitzt werden (200 Mio. Grad wurden schon erreicht). Zum Vergleich: Die Sonne hat auf ihrer Oberfläche eine Temperatur von 5500 C und in ihrem Innern 15.000.000 C. Es entsteht dabei ein sogenanntes Plasma, ein Gemisch aus freien Wasserstoffionen und freien Elektronen.
Es wird mit Plasmen gearbeitet, die aus nur 1g Wasserstoffionen besteht. Die Thermische Energie des heißen Wasserstoffplasmas reicht aus, um 100 kg Stahl zu verdampfen.
Um mit diesen hohen Temperaturen arbeiten zu können werden die Plasmen und ihre thermische Abstrahlung mit Magnetfeldern, deren Stärke das 100.000 fache des Erdmagnetfeldes übersteigen, im Vakkuum eingefangen.
Bei den meisten Techniken treten energiereiche Neutronen auf. Da sie sich nicht durch Magneten auf eine definierte Bahn zwingen lassen, treffen sie auf das das Plasma umgebende Material und sind für dessen Verstrahlung verantwortlich. Sie werden aber dazu benuzt, um mit Lithium das meist benötigte Tritium herzustellen.
Prinzipiell kann man zwischen vier Techniken der Kernfusion unterscheiden: Die Induzierte Trägheitsfusion, die Fusion mit magnetischem Einschluß, die kalte Kernfusion und die Fusion aus der Teilchenbeschleunigertechnik.
Fusion mit magnetischem Einschluß
Die Fusion mit magnetischem Einschluß findet in geschlossenen Vakuumkammern statt. Das Gas, bestehend aus Wasserstoff, Deuterium oder Tritium oder Kombinationen dieser Stoffe, wird in dieser Kammer auf 50 bis 400 Millionen Grad erhitzt und liegt dann als Plasma vor, d.h. das Gas ist vollständig ionisiert. Durch Magnetfelder wird das Plasma auf eine Bahn gezwungen, die verhindert, daß das Plasma die Wand berührt. Unter hohem Druck und Temperatur kommt es schließlich zum thermonuklearen Brennen.
Allgemein ergeben sich beim magnetischen Einschluß folgende Probleme:
Durch die Schwierigkeiten beim Plasmaeinschluß und durch Verunreinigungen kommt es zu Energieverlusten
Durch Neutronenbeschuß wird das Reaktormaterial radioaktiv
Die extremen Bedingungen führen zu hohen Materialermüdung und damit zu hohen Kosten
Große gespeicherte Energiemengen in den Magnetfeldern und radioaktives Inventar stellen ein Gefahrenpotential dar.
Hoher Energiebedarf beim Betrieb durch die benötigte Heizung und Magnete (300MW Verbrauch einer mittleren Großstadt!!).
Beim Magnetischen Einschluß gilt es noch, drei Reaktortypen zu unterscheiden:
Stellaratoren
Hier ist das Reaktorgefäß ähnlich wie beim Tokamak eine ringförmige Röhre, also ein Torus. Das Plasma fließt hier im Kreis, wobei es durch geeignete Magnetfelder in sich verwunden wird, um Abstrahlungsverluste zu minimieren. Diese zusätzlichen Magnetfelder verkomplizieren die Technik des Reaktors. Auch erreicht man derzeit nicht den gewünschten Einschlußgrad (Produkt aus Druck mal Zeit).
Der Stellerator ist aber für die Konstruktion eines energieliefernden Reaktors dadurch sehr interessant, da er sich zum kontinuierlichen Betrieb eignet (vgl. Tokamak).
Tokamak
Tokamak ist eine Abkürzung für die Russische Bezeichnung von Toroidkammer im Magnetfeld. Beim Tokamak handelt es sich um einen Torus, in dem das Plasma im Kreis fließt (vgl. Stellerator). Über äußere Spulen wird ähnlich wie bei einem Transformator ein Strom im Plasma induziert. Durch diesen Strom werden die Abstrahlungsverluste minimiert, so daß kein Magnetfeld für die Verwindung des Plasmas notwendig wird. Zusätzlich stellt der Strom im Plasma eine Heizmethode dar. Mit den Tokamaks ist man den Bedingungen für selbsterhaltendes thermonukleares Brennen bisher am nächsten gekommen, was vielleicht aber auch daran liegt, daß hier die intensivsten Forschungen getätigt werden.
Als Hauptnachteil des Tokamak ist zu nennen, daß er sich nicht für einen kontinuierlichen Betrieb eignet, sondern regelmäßig wieder neu mit Plasma aufgeladen werden muß (vgl. Stellerator), was auch eine extreme Belastung der Anlage ausmacht.
Spiegelmaschinen
Das Reaktorgefäß bildet eine gerade Röhre. An den Enden wird das Plasma durch entsprechende Magnetfelder in seiner Flußrichtung reflektiert. Bei der Reflexion an den Ende kommt es zu erhöhten Energieverlusten.
MIGMA-Konzept
Bei dem MIGMA-Verfahren werden aus einem Teilchenbeschleuniger Teilchen (z.B. Deuteronen und Trionen) wiederholt zur Kollision gebracht und verschmelzen. Es ist mit diesem Konzept auch eine Fusion zwischen Protonen und dem Bor-11 Isotops möglich. Es entstehen vier energiereiche Alphateilchen (4He2+).
Das besondere an diesem Ansatz ist, daß kein radioaktives und toxisches Tritium benötigt wird und keine Neutronen enstehen, welche für die unerwünschte Radioaktivität verantwortlich sind.
Hauptproblem bei dieser Technik sind laut KfK die Energieverluste der Teilchen durch die entstehende Synchrotronstrahlung.
Leider wird diese von einigen Physikern für genial gehaltene Technik weltweit ignoriert. Es werden zur Weiterentwicklung trotz ansehlicher Anfangserfolge in den 70 Jahren nicht genügend Fördermittel zur Verfügung gestellt. Grund hierfür könnte sein, daß bei dieser Reaktion keine energiereichen Neutronen entstehen, die zu dem sehr interessanten Nebenprodukt, dem spaltbaren Material, führen.
Induzierte Trägheitsfusion
Ein Gemisch aus Deuterium und Tritium wird von einer kleinen kugelförmigen Hülle umgeben. Diese 1mm großen Kügelchen (Pellets) werden im Vakuum mit einem Hochenergielaser oder einem Leicht- oder Schwerionenstrahl beschossen. Bei der so herbeigeführten Implosion wird das Wasserstoffgemisch auf ein fünfzigstel seines Volumens komprimiert. Die extreme Erhitzung läßt das fusionierende Plasma enstehen.
Durch Simulationen ließ sich ermitteln, daß der thermonuklare Energieausstoß typischerweise das Hundertfache der Laserenergie beträgt.
Hauptproblem ist die Konstruktion der benötigten kurzwelligen Hochenergielaser bzw. Beschleuniger. Des weiteren entstehen auch hier hochenergetische Neutronen.
Die Konstruktion eines energiegewinnenden Reaktors, der z.B. zehn Pellets pro Sekunde zünden würde, wäre denkbar.
Kalte Kernfusion
Die Reaktion wurde aus theoretischen Überlegungen schon in den vierziger Jahren von F. Frank und Andrej D. Sacharov vorhergesagt und 10 Jahre später durch einen Zufall von Luis W. Alvarez experimentell nachgewiesen.
Bei der kalten Kernfusion oder auch Myon -katalysierten kalten Kernfusion kann man die hohen Temperaturen und riesigen Versuchsaufbauten umgehen. Die kalte Kernfusion läuft bei Temperaturen ab 13 bis über 1000 Kelvin in festen, flüssigen oder gasförmigen Medien ab.
Die Reaktion kann in einer einfachen mit Tritium und Deuterium gefüllten Kammer durchgeführt werden. Hierzu läßt man negative Myonen in die Kammer eindringen. Die Myonen stellen durch besondere Stoßprozesse enge Bindungen zwischen den Wasserstoffmolekülen her. Die so myonisch gebundenen Kerne verschmelzen und es wird Energie in Form von Wärme frei. Die Myonen werden dabei wieder freigesetzt und können unter bestimmten Bedingungen weitere Fusionen katalysieren.
Myonen kann man künstlich mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern erzeugen. Damit ein Myon mehrere Kernfusionen katalysieren kann, sind hohe Energien für dessen Erzeugung notwendig.
Leider wird mehr Energie benötigt, um die Reaktion ablaufen zu lassen, als später frei gesetzt wird. Die kalte-Fusion ist zur Zeit nur für die Grundlagenforschung interessant. Es gibt bis heute keine reproduzierbare Versuchsanordnung mit positiver Energiebilanz.
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