Unter Kernfusion versteht man den Prozess, bei dem sich Atomkerne zu einem schwereren Kern verbinden und dabei enorme Energiemengen freisetzen. Dies ist der Prozess, der die Sterne, einschließlich unserer Sonne, mit Energie versorgt.
Um eine kontrollierte Kernfusion auf der Erde durchzuführen, sind aufgrund der hohen Temperaturen und Dichten, die zur Überwindung der elektrostatischen Abstoßung zwischen Kernen erforderlich sind, äußerst spezifische Bedingungen erforderlich.
Die wichtigsten Voraussetzungen für eine kontrollierte Kernfusion sind folgende:
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Hohe Temperatur: Es muss eine extrem hohe Temperatur erreicht werden, typischerweise im Bereich von Hunderten Millionen Grad Celsius. Bei diesen Temperaturen ionisieren die Atome und bilden ein heißes Plasma.
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Richtige Dichte und richtiger Druck: Das Plasma muss eingeschlossen und komprimiert werden, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die Kerne kollidieren und verschmelzen.
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Lange Einschlusszeit: Die Kernfusion erfordert eine ausreichend lange Zeit, damit eine erhebliche Anzahl von Fusionsreaktionen ablaufen kann.
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Magnetischer oder Trägheitseinschluss: Es gibt zwei Hauptansätze, um Plasma einzuschließen: magnetischen Einschluss und Trägheitseinschluss. Beim magnetischen Einschluss wird das Plasma durch Magnetfelder in der Schwebe gehalten und eingeschlossen. Im Trägheitseinschluss wird das Plasma durch Stoßwellen komprimiert, die von Lasern oder beschleunigten Teilchen erzeugt werden.
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Geeigneter Fusionsbrennstoff: Der gebräuchlichste Brennstoff für die Kernfusion ist eine Mischung aus Wasserstoffisotopen wie Deuterium und Tritium.
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Abwesenheit von Verunreinigungen: Materialien, die mit dem Plasma in Kontakt kommen, sollten minimiert werden, da sie den Fusionsprozess verunreinigen und das Plasma kühlen könnten.
Strategien zum Plasmaeinschluss
Bei Kernfusionsexperimenten werden verschiedene Eindämmungsstrategien eingesetzt, um das Plasma in einem für die Fusion geeigneten Zustand zu halten. Hier sind einige der beiden besten Strategien:
magnetischer Einschluss
Der Tokamak und der Stellarator sind zwei Arten experimenteller Geräte, mit denen der magnetische Einschluss von Plasma untersucht und erreicht wird. Beide Geräte sind darauf ausgelegt, Plasma einzuschließen und auf die hohen Temperaturen zu erhitzen, die für die Kernfusion erforderlich sind.
Der Tokamak erzeugt mithilfe von Magnetspulen ein toroidales Magnetfeld, das das Plasma in einem Ring einschließt. Das Magnetfeld verhindert, dass das Plasma entweicht und sich zerstreut, und hält es in einem heißen, eingeschlossenen Zustand.
Im Gegensatz zum Tokamak verwendet der Stellarator komplexere Magnetspulen, um ein dreidimensionales Magnetfeld zu erzeugen, ohne dass elektrische Ströme im Plasma erforderlich sind. Dadurch bleibt das Plasma stabil, ohne dass Heizströme erforderlich sind.
Trägheitseinschluss
Der Schwerpunkt des Trägheitseinschlusses liegt auf der Komprimierung und Erwärmung des Fusionsplasmas mithilfe von Stoßwellen oder mechanischer Kompression.
Das Grundprinzip des Trägheitseinschlusses besteht darin, den Fusionsbrennstoff (normalerweise eine Mischung aus Wasserstoffisotopen wie Deuterium und Tritium) hohen Drücken und Temperaturen auszusetzen, sodass die Atomkerne mit genügend kinetischer Energie kollidieren, um die elektrostatische Abstoßung zu überwinden und zu verschmelzen.
Es gibt zwei Hauptansätze, um einen Trägheitseinschluss zu erreichen:
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Direkte Kompressionsfusion: Bei diesem Ansatz wird eine kleine Kapsel Fusionsbrennstoff mithilfe von Stoßwellen, die von leistungsstarken Laserstrahlen oder beschleunigten Partikeln erzeugt werden, schnell und kontrolliert komprimiert. Die Kompression des Brennstoffs erhöht die Dichte und Temperatur des Plasmas im Kern der Kapsel und begünstigt so die Kernfusion. Dieses Konzept ist als „Inertial Confinement Fusion by Implosion“ bekannt.
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Fusion mit magneto-inertialem Einschluss: Diese Strategie kombiniert Aspekte des magnetischen und des inertialen Einschlusses. Um die Lebensdauer des Plasmas zu verlängern und die Fusionseffizienz zu verbessern, wird ein Gerät verwendet, das Trägheitskompression des Plasmas mit magnetischem Einschluss kombiniert. Ein Beispiel hierfür ist das Konzept der „Magneto-Inertial-Fusion“ (MIF), das darauf abzielt, das Beste aus beiden Ansätzen zu nutzen, um eine Kernfusion zu erreichen.
Kernfusionsforschungsreaktoren
Wissenschaftler arbeiten mit Forschungsreaktoren daran, Wege zu finden, die technischen Einschränkungen der Kernfusion zu überwinden.
Zu den bekanntesten Forschungsreaktoren im Bereich der Kernfusion gehören:
ITER (Internationaler Thermonuklearer Experimentalreaktor)
Es handelt sich um eines der größten und ehrgeizigsten Projekte im Bereich der Kernfusion. Es befindet sich in Cadarache, Frankreich, und ist eine internationale Zusammenarbeit zwischen 35 Ländern. ITER ist ein Tokamak, der die wissenschaftliche und technologische Machbarkeit der Kernfusion als nachhaltige Energiequelle ohne Kohlenstoffemissionen demonstrieren soll. Es wird erwartet, dass ITER den „Zündpunkt“ erreicht, an dem die durch Fusionsreaktionen freigesetzte Energie die Energie übersteigt, die zum Erhitzen und Einschließen des Plasmas erforderlich ist.
JET (Gemeinsamer europäischer Torus)
JET mit Sitz im Vereinigten Königreich ist der größte in Betrieb befindliche Tokamak und gilt seit seiner Gründung im Jahr 1983 als Pionier in der Kernfusionsforschung. Es handelt sich um eine Zusammenarbeit zwischen der Europäischen Union und anderen Partnerländern. JET hat wichtige Forschungen zum magnetischen Einschluss und zur Plasmaerwärmung durchgeführt.
EAST (Experimental Advanced Supraconducting Tokamak)
EAST liegt in China und ist einer der größten und fortschrittlichsten Tokamaks der Welt. Er hat in den Bereichen Supraleitung und Plasmaheiztechnologien geforscht.
Wendelstein 7-X
Es handelt sich um einen Stellarator in Deutschland. Er unterscheidet sich von anderen Stellaratoren durch sein optimiertes Magnetfelddesign zur Verbesserung des Plasmaeinschlusses. Wendelstein 7-X ist der größte und fortschrittlichste in Betrieb befindliche Stellarator und hat Forschungsarbeiten zur Verbesserung der Plasmastabilität und des magnetischen Einschlusses durchgeführt.
