Thermonukleare Fusion - Thermonuclear fusion
Thermonukleare Fusion ist der Prozess, bei dem sich Atome mit großen Wärmemengen verbinden oder „verschmelzen“. Es gibt zwei Formen der thermonuklearen Fusion: unkontrolliert , bei der die entstehende Energie unkontrolliert freigesetzt wird, wie es bei thermonuklearen Waffen ("Wasserstoffbomben") und bei den meisten Sternen der Fall ist ; und kontrolliert , wo die Fusionsreaktionen in einer Umgebung stattfinden, die es ermöglicht, einen Teil oder die gesamte freigesetzte Energie für konstruktive Zwecke zu nutzen.
Temperaturanforderungen
Die Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie von Partikeln, so dass durch Erhitzen des Materials Energie gewonnen wird. Nach Erreichen einer ausreichenden Temperatur, die durch das Lawson-Kriterium gegeben ist , ist die Energie von zufälligen Kollisionen innerhalb des Plasmas hoch genug, um die Coulomb-Barriere zu überwinden und die Teilchen können miteinander verschmelzen.
Bei einer Deuterium-Tritium-Fusionsreaktion zum Beispiel beträgt die zum Überwinden der Coulomb-Barriere erforderliche Energie 0.1 MeV . Die Umrechnung zwischen Energie und Temperatur zeigt, dass die 0,1 MeV-Barriere bei einer Temperatur von über 1,2 Milliarden Kelvin überwunden würde .
Es gibt zwei Effekte, die benötigt werden, um die tatsächliche Temperatur zu senken. Einer ist die Tatsache, dass die Temperatur die durchschnittliche kinetische Energie ist, was bedeutet, dass einige Kerne bei dieser Temperatur tatsächlich eine viel höhere Energie als 0,1 MeV haben würden, während andere viel niedriger wären. Es sind die Kerne im hochenergetischen Schweif der Geschwindigkeitsverteilung , die für die meisten Fusionsreaktionen verantwortlich sind. Der andere Effekt ist das Quantentunneln . Die Kerne müssen eigentlich nicht genug Energie haben, um die Coulomb-Barriere vollständig zu überwinden. Wenn sie fast genug Energie haben, können sie die verbleibende Barriere durchtunneln. Aus diesen Gründen wird Brennstoff bei niedrigeren Temperaturen immer noch mit geringerer Geschwindigkeit Fusionsereignisse durchlaufen.
Die thermonukleare Fusion ist eine der Methoden, die bei dem Versuch, Fusionsenergie zu erzeugen, erforscht wird . Wenn die Nutzung der Kernfusion günstig wird, würde sie den CO2-Fußabdruck der Welt erheblich reduzieren .
Gefangenschaft
Das Hauptproblem beim Erreichen der thermonuklearen Fusion besteht darin, das heiße Plasma einzuschließen. Aufgrund der hohen Temperatur kann das Plasma mit keinem festen Material in direkten Kontakt kommen und muss sich daher im Vakuum befinden . Außerdem bedeuten hohe Temperaturen hohe Drücke. Das Plasma neigt dazu, sich sofort auszudehnen, und es ist eine gewisse Kraft erforderlich, um dagegen zu wirken. Diese Kraft kann eine von drei Formen annehmen: Gravitation in Sternen, magnetische Kräfte in Fusionsreaktoren mit magnetischem Einschluss oder Trägheit, da die Fusionsreaktion stattfinden kann, bevor sich das Plasma ausdehnt, so dass die Trägheit des Plasmas das Material zusammenhält.
Gravitationseinschluss
Eine Kraft, die den Kraftstoff gut genug einschließen kann, um das Lawson-Kriterium zu erfüllen, ist die Schwerkraft . Die benötigte Masse ist jedoch so groß, dass gravitativer Einschluss nur in Sternen zu finden ist – die am wenigsten massereichen Sterne, die zu einer dauerhaften Fusion fähig sind , sind Rote Zwerge , während Braune Zwerge in der Lage sind, Deuterium und Lithium zu verschmelzen, wenn sie eine ausreichende Masse haben. In Sternen, die schwer genug sind, beginnen ihre Kerne (oder eine Hülle um den Kern), nachdem der Wasserstoffvorrat in ihren Kernen erschöpft ist, Helium zu Kohlenstoff zu verschmelzen . Bei den massereichsten Sternen (mindestens 8–11 Sonnenmassen ) wird der Prozess fortgesetzt, bis ein Teil ihrer Energie durch die Verschmelzung leichterer Elemente mit Eisen gewonnen wird . Da Eisen eine der höchsten Bindungsenergien besitzt , sind Reaktionen zu schwereren Elementen im Allgemeinen endotherm . Daher werden signifikante Mengen schwerer Elemente nicht während stabiler Perioden massereicher Sternentstehung, sondern in Supernova-Explosionen gebildet . Einige leichtere Sterne bilden diese Elemente auch in den äußeren Teilen der Sterne über lange Zeiträume, indem sie Energie aus der Fusion im Inneren des Sterns absorbieren, indem sie Neutronen absorbieren, die aus dem Fusionsprozess emittiert werden.
Alle Elemente, die schwerer als Eisen sind, müssen theoretisch eine gewisse potentielle Energie freisetzen. Am extrem schweren Ende der Elementproduktion können diese schwereren Elemente Energie produzieren, indem sie im Prozess der Kernspaltung wieder auf die Größe von Eisen zurückgespalten werden . Bei der Kernspaltung wird also Energie freigesetzt, die während der stellaren Nukleosynthese manchmal vor Milliarden von Jahren gespeichert wurde .
Magnetischer Einschluss
Elektrisch geladene Partikel (z. B. Brennstoffionen) folgen den magnetischen Feldlinien (siehe Leitstelle ). Der Fusionsbrennstoff kann daher mit einem starken Magnetfeld eingefangen werden. Es gibt eine Vielzahl von magnetischen Konfigurationen, einschließlich der toroidalen Geometrien von Tokamaks und Stellaratoren und offenen Spiegeleinschlusssystemen.
Trägheitsbeschränkung
Ein drittes Einschlussprinzip besteht darin, einen großen Teil der Oberfläche eines Fusionsbrennstoffpellets mit einem schnellen Energieimpuls zu beaufschlagen, wodurch es gleichzeitig "implodiert" und auf sehr hohen Druck und hohe Temperatur erhitzt wird. Wenn der Brennstoff dicht genug und heiß genug ist, ist die Fusionsreaktionsrate hoch genug, um einen erheblichen Teil des Brennstoffs zu verbrennen, bevor er sich aufgelöst hat. Um diese extremen Bedingungen zu erreichen, muss der zunächst kalte Kraftstoff explosionsartig verdichtet werden. Trägheitshaft wird in der Wasserstoffbombe verwendet , bei der der Fahrer Röntgenstrahlen von einer Spaltbombe erzeugt. Trägheitseinschluss wird auch bei der "kontrollierten" Kernfusion versucht, bei der der Treiber ein Laser , ein Ionen- oder Elektronenstrahl oder ein Z-Pinch ist . Ein weiteres Verfahren besteht darin, herkömmliches hochexplosives Material zu verwenden, um einen Brennstoff auf Fusionsbedingungen zu komprimieren. Die Explosivstoff-Implosionsanlage UTIAS wurde verwendet, um stabile, zentrierte und fokussierte halbkugelförmige Implosionen zu erzeugen, um Neutronen aus DD-Reaktionen zu erzeugen . Die einfachste und direkteste Methode erwies sich in einem predetonated stöchiometrische Mischung aus sein Deuterium - Sauerstoff . Die andere erfolgreiche Methode war die Verwendung eines Miniatur- Voitenko-Kompressors , bei dem eine ebene Membran durch die Implosionswelle in einen sekundären kleinen kugelförmigen Hohlraum getrieben wurde, der bei einer Atmosphäre reines Deuteriumgas enthielt .
Elektrostatischer Einschluss
Es gibt auch elektrostatische Einschluss-Fusionsvorrichtungen . Diese Geräte grenzen Ionen mithilfe elektrostatischer Felder ein. Am bekanntesten ist der Fusor . Dieses Gerät hat eine Kathode in einem Anodendrahtkäfig. Positive Ionen fliegen in Richtung des negativen Innenkäfigs und werden dabei durch das elektrische Feld erwärmt. Wenn sie den inneren Käfig verfehlen, können sie kollidieren und verschmelzen. Ionen treffen jedoch typischerweise auf die Kathode und erzeugen unangemessen hohe Leitungsverluste . Außerdem sind die Fusionsraten in Fusoren aufgrund konkurrierender physikalischer Effekte, wie zum Beispiel Energieverlust in Form von Lichtstrahlung, sehr gering. Es wurden Designs vorgeschlagen, um die mit dem Käfig verbundenen Probleme zu vermeiden, indem das Feld unter Verwendung einer nicht neutralen Wolke erzeugt wird. Dazu gehören ein Plasma-Oszillationsgerät, eine Penning-Falle und das Polywell . Die Technologie ist jedoch relativ unausgereift, und es bleiben viele wissenschaftliche und technische Fragen offen.