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Kernfusion

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by

T R

on 2 February 2014

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Transcript of Kernfusion

Kernfusionsprozess
Kernreaktion

Verschmelzung zweier Atom-Kerne zu einem Neuem

Ursache für die Energieabstrahlung von Sternen (z.B.Sonne)
Plasmaaufheizung
benötigte Temperatur:über 100 Mio. °C für eine selbstbrennende Fusion

durch äußere Aufheizung werden jedoch bereits Fusionen erreicht
--> Problem: Weniger effektiver Energiegewinn
elektrisches Aufheizen:
Plasma dient als sekundäre Spule eines Transformators
Problem: max. T: 20 - 30 Mio K


Neutralteilchen-Einschuss:
Plasma wird durch Einschuss von schnellen neutralen Teilchen erhitzt
Elektromagnetische Wellen:
Anregung von Elektronen und Ionen des Plasmas


Magnetische Kompression:
durch schnelles Zusammenpressen wird das Gas erhitzt
Bedingung: ausreichend großer Wirkungsquerschnitt


--> Coulombbarriere muss überwunden werden
2 Grundlegende Konzepte
1. Magnetischer Einschluss vom Plasma
-Tokamak-Prinzip
-Stellaratoren


2. Trägheitsfusionsreaktoren
Tokamak-Prinzip
Magnetischer Einschluss
torusförmiger Reaktor

Deuterium-Tritiumgemisch wird bis zum Plasma erhitzt

Einschluss des Plasmas durch Magnetfeld von supraleitenden Spulen
torusförmiges Magnetfeld:


Problem: Verwirblungen mit der Reaktorwand

Lösung: Verdrillung des Plasmastroms:
Stellaratoren
Problem des Tokamak:

Die Verdrillung des Magnetfeldes wird durch Induktion erreicht

--> Nur Pulsbetrieb möglich, da der Primärstrom nicht permanent gesteigert werden kann
Alternative: Stellatoren
Erreichen eier Verdrillung durch die äußeren Spulen selbst
aufwendig zu berechnen
Trägheitsfusion

Das Brennstoffgemisch ist in einen Hohlraumkörper eingeschlossen


Durch Röntgenstrahlung oder einen hochenergetischen Laser wird die äußere Schicht des Brennstoffes verdampft
Die verdampfende Oberfläche komprimiert das Brennstoffgemisch bis zu einem Plasma

Das Plasma wird durch die hohe Temperatur oder durch einen weiteren Laser zur Kernfusion gebracht
Dauer des "Abbrennens" beträgt nur einige Nanosekunden

--> Das Plasma wird durch seine eigene Trägheit zusammengehalten
indirect drive:
Brennstoff
Es wird ein Deuterium-Tritium-Gemisch verwendet

andere Brennstoffe wären effizienter, jedoch momentan technisch nicht nutzbar
Nutzung der freigesetzten Energie
4/5 der freigesetzten Energie gehen in Bewegungsenergie der Neutronen über

Die Neutronen stoßen gegen das Blanket und geben ihre Energie als Wärme ab
Die Wärme wird über Wärmeaustauscher abgeleitet

Wasser wird verdampft und durch Dampfturbinen geleitet
Deuterium-Kern und Tritium-Kern treffen unter hohen Druck und Temperaturen aufeinander

dabei verschmelzen sie zu einem Helium-Kern und setzen ein Neutron frei

dadurch wird eine Gesamtenergiemenge von ca. 17,6 MeV

Es liegt ein Massendefekt vor
--> Masse wird nach E = m*c² umgewandelt
Kernfusionsprozess
Aktueller Stand der Forschung
Hauptziel: Plasmabedingungen für die Verängerung der Energieeinschlusszeit
in kleineren Tokamak-Experimenten wurden bereits 120 Minuten Einschlusszeit erreicht
mehrere Versuchsreaktoren bereits weltweit in betrieb
momentaner Bau des ITER, eines großen Kernfusionsreaktors zu Forschungszwecken, in Frankreich -> geplante Inbetriebnahme 2020
Woran es scheitert
Verlustleistung > Gewinnleistung
Plasma kühlt zu schnell ab -> kurze Fusionslaufzeit
Gliederung
Der Kernfusionsprozess

Funktionsprinzip und Aufbau von:

Reaktoren mit magnetischem Einschluss

Trägheitsreaktoren

Aktueller Stand der Forschung
Deuterium kommt im Wasser vor


Tritium muss mithilfe von Lithium-6 "erbrütet" werden:

Lithium-6 + 1n --> Helium-4 + Tritium
Umwelt- und Sicherheitsaspekte
keine unkontrollierbare Kettenreaktion
kein langlebiger radioaktiver Abfall ( Helium)
geringe Gefahr ausgehend vom radioaktiven Tritium (nur Betastrahler)

jedoch:
Materialen werden ausgesetzt Neutronenstrahlung --> mit Kernspaltungsreaktor vergleichbar
Kernfusion -
Eine Perspektive für die Zukunft?

Grundlegende Konzepte
Quellen
Demtröder Experimentalphysik 4 : Kern-, Teilchen- und Astrophysik
Springer Verlag, S. 241 - 247


https://de.wikipedia.org/wiki/Kernfusionsreaktor
https://de.wikipedia.org/wiki/Fusionsenergie
https://de.wikipedia.org/wiki/Kernfusion
https://de.wikipedia.org/wiki/Stellarator
http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/761963
http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Kernfusionsreaktor.html
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/cc/ITER-img_0237_detoure.jpg/399px-ITER-img_0237_detoure.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3b/Deuterium-tritium_fusion.svg/248px-Deuterium-tritium_fusion.svg.png
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4b/Tokamak_fields_lg.png
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/50/Stellarator_modular_coils.png/220px-Stellarator_modular_coils.png
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