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Kernfusion

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by

Susu ben Nasr

on 9 July 2015

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Transcript of Kernfusion

von Sofiane Saidani, 9a
Gliederung
Die Sonne als Kernfusionsreaktor
Nutzung der Kernfusion
Fusionsreaktoren auf der Erde:
Vorteile und Nachteile der Kernfusion
Kernfusion
Fazit
Die Sonne als Kernfusionsreaktor
- Seit 5 Milliarden Jahren strahlt die Sonne unvorstellbare Mengen an Energie in den Weltraum.
- Nur ein milliardster Teil davon erreicht die Erde - ohne den es kein Leben geben würde!
- Atome mit kleinen Massenzahlen verschmelzen während der Kernfusion auf der Sonne mit schweren Elementen --> Energiefreisetzung
Nutzung der Kernfusion
- Vergleich: Man würde dafür 215 Mio.Tonnen Steinkohle brauchen
Wasserstoffbomben können verheerenden Schaden anrichten
Fusionsreaktoren auf der Erde
Umsetzung
- Es werden 100 000 000°C und ein extrem hoher Druck benötigt (Teilchendichte von 100 Milliarden pro cm³)
Einschluss des Plasmas:
Tokamak:
- Toroidale Kammer in Magnetspulen
- Einschluss des Plasmas in 1 bzw. mehreren Magnetfeldern
Stellerator:
- Einschluss des Plasmas in schraubenförmigen Magnetfeld mit aufwendiger Spulengeometrie
Beispiel:
- International Thermonuclear Experimental Reactor
Ohmsche Heizung
Hochfrequenzheizung
Neutralteilcheninjektion
Nachteile
Vorteile
- Bauzeit: seit 2007 voraussichtlich bis 2020
- Partner: Europäische Atomgemeinschaft, Japan, Russland, Volksrepublik China, Südkorea, Indien und USA
- Kosten bis zur Fertigstellung: 100 Milliarden Euro
- verwendeter Reaktor: Tokamak
VIELEN DANK FÜR DIE AUFMERKSAMKEIT
Atomkern (positiv geladen)
Atomaufbau
- Atomkerne stoßen sich ab:
ABER:
überqueren sie
Coulombbarriere
wirkt Kernkraft
--->
die Atomkerne ziehen sich gegenseitig an.
- Elektronen sind negativ geladene Teilchen (-)
- Protonen sind positiv geladene Teilchen (+)
- Neutronen sind neutral geladen (0)
Atomaufbau
-
Kernkraft:
deutlich stärker als die elektrische Kraft und hält Protonen und Neutronen zu einem Kern zusammen.
Die Energie, die auf der Sonne pro Sekunde ausgestrahlt wird, ist so groß wie alle Kernkraftwerke zusammen auf der Erde in 750.000 Jahre produzieren könnten.
- hoher Energiegewinn möglich
- genügend Ressourcen vorhanden --> unerschöpfliche Energiequelle
- umweltfreundlich: kein Ausstoß von Treibhausgasen
momentan noch keine effiziente Energiegewinnung möglich!
- lange Zeitdauer bis die Technik ausgereift ist
- keine Endlagerung nötig: der Abfallstoff Helium ist als Rohstoff wiederverwendbar
- keine Katastrophen möglich ---> Fusion stoppt wenn sich die Parameter ändern, geringeres Risiko einer unkontrollierbaren Kettenreaktion
FAZIT
Wie funktioniert die Kernfusion ?
- Gegenteil der Kernspaltung
- die Kernreaktion kann exotherm (energieliefernd) oder endotherm (energieverbrauchend) sein
- 1kg Wasserstoff liefert 100 GWh Energie bei der Kernfusion
1991:
Erste kontrollierte Kernfusion
Geschichte der Kernfusion
1905:
Albert Einstein entwickelt die Formel E = m*c²
1929:
Erste Vermutung, dass Sterne ihre Energie durch Kernfusion gewinnen.
1934:
Rutherford weist Fusionsreaktionen im Labor nach
1952:
Erstmalige Energiegewinnung durch unkontrollierte Kernfusion (H-Bombe)
1958:
Kernfusionsforschung wird nicht mehr geheim gehalten.
- jährlich werden in Deutschland 580 TWh Strom „verbraucht“
- bei einem Wirkungsgrad von 35% reichen 16,6 Tonnen, um Deutschland ein Jahr mit Strom zu versorgen
Geschichte der Kernfusion
- Standort: Frankreich, beim südfranzösischen Kernforschungszentrum Cadarache
Kernspaltung
Wie funktioniert die Kernfusion?
- Atomkern wird durch frei schießendes Neutron in zwei oder mehreren kleineren Teilchen geteilt (Spaltprodukte)
Voraussetzungen
Überwindung der Coulombbarierre, damit die Kernkraft wirken kann
- Zwei Atomkerne verschmelzen zu einem neuen Atomkern
ΔE =Δmc²
Energie-differenz
Massen-
differenz
Licht-
geschwindigkeit
1905 veröffentlichte Albert Einstein die Relativitätstheorie:
Masse kann in Energie umgewandelt werden - und umgekehrt
Energiefreisetzung
BEOBACHTUNG:
Bei der Kernfusion ist die Masse der Ausgangselemente ca. 0,6% größer als die Masse der Fusionsprodukte
Neutronen
Protonen
Neuer Kern (Helium)
Beispiel einer Kernfusion
Zwei Wasserstoffatome verschmelzen --> ein Heliumatom, ein freies Neutron und Energie in Form von Wärme entsteht
Energie
THEORIE
PRAXIS
- Energie wird frei
- Neutronen werden abgestoßen und zerteilen wieder Atomkerne => Kettenreaktion
- Da die Masse des Endproduktes kleiner ist , wird Energie frei
INTERPRETATION:
Bei der Kernfusion wird Masse in Energie umgewandelt - genau wie die Relativitätstheorie besagt!
--> zwei Kerne verschmelzen zu einem
(anstatt sich abzustoßen)
Problem: Atomkerne stoßen sich normalerweise ab (elektrostatische Kraft)
--> kann überwunden werden, wenn sich Atome mit großer Geschwindigkeit bewegen
--> hohe Temperatur und / oder Druck
- "von unten nach oben": mittlere Bindungsenergie des Produkts ist höher als die der Edukte --> Differenz wird frei
Energiebilanz
Zivil
Militärisch
... gegenüber Atomkraft:
- hohes finanzielles Risiko bei der Entwicklung
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