Kernfusion - Physik.

« 4 FUSIONSANLAGEN Soll eine Fusionsanlage wirtschaftlich arbeiten, muss logischerweise die gewonnene Energie größer sein als die Energie, die für den Einschluss und die Aufheizung desPlasmas eingesetzt wird.

Diese Bedingung gilt theoretisch als erreicht, wenn das Produkt aus der Einschlusszeit t und der Plasmadichte n einen Wert von etwa 10 14 überschreitet.

Die Beziehung t n ≥ 10 14 bezeichnen Physiker als Lawson’sches Kriterium.

Im Laufe der Zeit sind verschiedene Fusionreaktortypen entwickelt worden. 4.1 Tokamak Tokamak-ReaktorIm Tokamak-Versuchsreaktor der Princeton University in New Jersey wurden 1993 bei einer kontrollierten Kernfusion Temperaturengemessen, die denen im Sonnenkern entsprechen.US Dept.

of Energy/Photo Researchers, Inc. Ein vielversprechender Anlagentyp ist der so genannte Tokamak, den die russischen Kernphysiker und Nobelpreisträger Igor Jewgenjewitsch Tamm und AndrejDmitrijewitsch Sacharow entwickelten.

Das Kürzel „Tokamak” steht für die russische Bezeichnung Toroidalnaja Kamera Magnitnoy Katuschki, was sinngemäß soviel bedeutet wie „torusförmige Kammer im Magnetfeld der Spule”.

Die Plasmakammer des Tokamak hat die Form eines Torus (Kreisring).

Zwei sich überlagernde Magnetfelder werdendurch hochleistungsfähige Elektromagnete erzeugt.

Dabei entstehen Feldstärken, die etwa 100 000-mal stärker sind als das Erdmagnetfeld.

Die Toroidalfeldspulen umgebenschlauchartig die Plasmakammer und erzeugen ein ringförmiges Magnetfeld.

Um eine Abdrift der Teilchen Richtung Kammerwand zu vermeiden wird senkrecht zu diesemringförmigen Feld (Toroidalfeld) ein zweites Magnetfeld durch einen Längsstrom induziert, der gleichzeitig das Plasma in der Anfangsphase aufheizt.

Den Längsstrom erzeugtman wiederum mit Hilfe von Transformatorspulen, die sich in der Mitte des Torus befinden.

Beide Magnetfelder bilden schraubenförmige, in sich geschlossene Feldlinien,denen die Teilchen des Plasmas schließlich folgen.

Damit die Lage des Stromes in der Plasmakammer fixiert bleibt, benötigt ein Tokamak noch ein drittes Magnetfeld, das sogenannte Poloidalfeld.

Es wird durch vertikale, die Kammer umfassende Feldspulen generiert. Nach dem erfolgreichen Betrieb von kleinen Tokamaks wurden in den frühen achtziger Jahren die ersten zwei großen Anlagen gebaut: die eine an der Universität Princetonin den Vereinigten Staaten und eine zweite im russischen Kernforschungszentrum in Dubna bei Moskau.

Weil der Längsstrom mit Hilfe von Transformatoren erzeugt wirdund diese nur im Pulsbetrieb arbeiten, lässt sich ein herkömmlicher Tokamak nicht kontinuierlich betreiben.

Gerade dies sollte jedoch bei einem Fusionskraftwerk austechnischen und wirtschaftlichen Gründen möglich sein.

Daher versuchte man Lösungen für die Erzeugung eines kontinuierlichen Stromes zu finden.

Eine Möglichkeit bietetz.

B.

Hochfrequenztechnik.

Beispiele für moderne Anlagen sind der Joint European Torus (JET) im englischen Culham und der noch in der Planung befindliche InternationaleThermonukleare Experimentalreaktor (ITER), der im Forschungszentrum Cadarache in Saint-Paul-lès-Durance in der Provence (Frankreich) entstehen soll; mit dem Bau sollEnde 2005 begonnen werden (Bauzeit: zehn Jahre, Baukosten: etwa 4,6 Milliarden Euro).

Am ITER-Projekt sind die EURATOM, Japan, Russland, die USA, Südkorea undChina beteiligt. 5 STELLARATOR Im Stellarator sind die Hauptfeldspulen wie beim Tokamak schlauchartig um die ringförmige Plasmakammer angeordnet.

Im Gegensatz zum Tokamak benötigt derStellarator jedoch keinen Längsstrom.

Die schraubenförmige Verdrillung der Feldlinien wird hier durch ein ebenfalls schraubenförmig bzw.

helikal angeordnetesSpulensystem generiert.

Das System liegt dabei innerhalb des Schlauches der Hauptfeldspulen.

Das Plasma in einem Stellarator besitzt eine kompliziertere Form als imTokamak: es ist schraubenförmig verdrillt.

Ein jüngstes Beispiel für diesen Fusionsreaktortyp ist das Wendelstein7-AS-Experiment des Max-Planck-Instituts in Garching. 6 JÜNGERE ENTWICKLUNGEN 1991 wurde im JET-Laboratorium (JET = Joint European Torus ) in England erstmals eine bedeutende Energiemenge, etwa 1,7 Megawatt, aus kontrollierter Kernfusion gewonnen.

Im Dezember 1993 benutzten Forscher an der Universität von Princeton den Tokamak-Fusionsversuchsreaktor TFTR für eine kontrollierte Kernfusion mit einerEnergieerzeugung von 5,6 Megawatt.

Allerdings benötigten sowohl JET als auch der TFTR während ihres Betriebs mehr Energie, als sie erzeugten. Nach acht Jahren Bauzeit ging am 31.

März 1998 in Japan eine der größten Fusionsanlagen der Welt in Betrieb.

Mit dieser Anlage, dem Stellarator Large Helical Device (LHD) sollen zunächst die Bedingungen für Plasmazündung und Dauerbetrieb getestet werden, wobei als Plasmakomponenten normaler Wasserstoff und Deuterium zum Einsatz kommen.

Die Experten gehen dabei davon aus, dass sich die gewonnenen Erkenntnisse auf den Prozess mit Deuterium und Tritium übertragen lassen.

Eine nochgrößere Anlage (Wendelstein 7-X) entsteht am Teilinstitut der Max-Planck-Gesellschaft in Greifswald.

Die Inbetriebnahme des Stellarators Wendelstein 7-X ist laut Planungfür 2007 vorgesehen. 6.1 Ausblick Wenn Fusionsenergie wirtschaftlich einsetzbar wird, bietet sie folgende Vorteile: (1) einen unbegrenzten Brennstoffvorrat in Form von Deuterium aus dem Meer, (2)Reaktorunfälle sind unwahrscheinlich, da die Brennstoffmenge im System sehr gering ist, (3) und ferner sind Abfallprodukte sehr viel weniger radioaktiv und einfacher zuhandhaben als jene von Kernspaltanlagen.

Die Fortschritte in der Fusionsforschung sind vielversprechend, aber die Entwicklung von nutzbaren Systemen wird – zumal dieForschung sehr kostenintensiv ist – wahrscheinlich noch Jahrzehnte dauern. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation.

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