Kernfusion: Von der toroidalen Einschnürung bis zum Tokamak

Was ist Kernfusion?

Kernfusion bezeichnet die Reaktion, bei der zwei Atomkerne zusammenstoßen und zu einem schwereren Atomkern verschmelzen. Grundsätzlich tragen Atomkerne aufgrund der Protonen in ihrem Inneren eine positive Ladung, so dass sich zwei Atomkerne bei Annäherung aufgrund der elektrischen Abstoßung gegenseitig abstoßen. Wenn jedoch die Atomkerne auf extrem hohe Temperaturen erhitzt werden, kann ihre kinetische Energie die elektrische Abstoßung überwinden, so dass die beiden Atomkerne kollidieren können. Sobald sich zwei Atomkerne ausreichend nahe gekommen sind, wirkt die starke Kernkraft und sie verschmelzen zu einem einzigen Atomkern.

Ende der 1920er Jahre, als bekannt wurde, dass Kernfusion die Energiequelle der Sterne ist und Kernfusion physikalisch erklärt werden konnte, wurde diskutiert, ob Kernfusion zum Nutzen der Menschheit eingesetzt werden könnte. Kurz nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs wurde ernsthaft in Betracht gezogen, Fusionsenergie zu kontrollieren und zu nutzen, und die Forschung begann an britischen Universitäten wie der Universität Liverpool, der Universität Oxford und der Universität London.

Break-even-Punkt und Zündbedingung

Eines der grundlegendsten Probleme bei der Kernfusion zur Energieerzeugung ist, dass die aus der Fusionsreaktion gewonnene Energie größer sein muss als die anfänglich eingesetzte Energie. Bei der DT-Reaktion werden Alpha-Teilchen und Neutronen erzeugt, wobei 20% der durch Fusion freigesetzten Energie von den Alpha-Teilchen und 80% von den Neutronen getragen werden. Die Energie der Alpha-Teilchen wird zur Aufheizung des Plasmas verwendet, während die Energie der Neutronen in elektrische Energie umgewandelt wird. Anfangs muss von außen Energie zugeführt werden, um die Plasmatemperatur zu erhöhen, aber wenn die Fusionsreaktionsrate ausreichend ansteigt, kann das Plasma allein durch die Energie der Alpha-Teilchen aufgeheizt werden, so dass die Fusionsreaktion sich selbst erhält. Dieser Punkt wird als Zündung bezeichnet und tritt im Temperaturbereich von 10-20 keV (etwa 100-200 Millionen K) auf, wenn $nT\tau_{E} > 3 \times 10^{21} m^{-3} keVs$, d.h. $\text{Plasmadruck}(P) \times \text{Energieeinschlusszeit}(\tau_{E}) > 5$ ist.

Toroidale Einschnürung (toroidal pinch)

1946 führte Peter Thonemann am Clarendon Laboratory der Universität Oxford Forschungen durch, um Plasma in einem Torus unter Verwendung des Pinch-Effekts einzuschließen.

Wie in der Abbildung gezeigt, bildet sich ein Magnetfeld um den Strom herum, wenn Strom durch das Plasma fließt, und aufgrund der Wechselwirkung zwischen Strom und Magnetfeld wirkt eine Kraft nach innen. Theoretisch könnte also bei ausreichend hohem Strom der Pinch-Effekt das Plasma daran hindern, die Wand zu berühren. Experimentelle Ergebnisse zeigten jedoch, dass diese Methode sehr instabil war und daher heute kaum noch erforscht wird.

Stellarator

Anfang der 1950er Jahre erfand der Astrophysiker Lyman Spitzer von der Princeton University eine neue Plasmaeinschlussvorrichtung, die er Stellarator nannte. Im Gegensatz zur toroidalen Einschnürung, bei der das Magnetfeld durch den im Plasma selbst fließenden Strom erzeugt wird, wird das Magnetfeld im Stellarator nur durch externe Spulen erzeugt. Stellaratoren haben den Vorteil, dass sie das Plasma über lange Zeit stabil halten können, und werden immer noch als potenziell wertvoll für die tatsächliche Anwendung in Fusionskraftwerken angesehen. Die Forschung wird nach wie vor aktiv betrieben.

Tokamak (toroidalnaya karmera magnitnaya katushka)

In den 1960er Jahren geriet die Fusionsforschung in eine Flaute, aber zu dieser Zeit wurde am Kurtschatow-Institut in Moskau der erste Tokamak entwickelt, was einen Durchbruch darstellte. Nach der Präsentation der Tokamak-Ergebnisse auf einer Konferenz im Jahr 1968 änderten die meisten Länder ihre Forschungsrichtung hin zum Tokamak, der heute zur vielversprechendsten Methode des magnetischen Einschlusses geworden ist. Tokamaks haben den Vorteil, dass sie das Plasma über lange Zeit aufrechterhalten können und gleichzeitig eine viel einfachere Struktur als Stellaratoren haben.

Große Tokamak-Anlagen und das ITER-Projekt

Seit den 1970er Jahren wurden große Tokamak-Anlagen gebaut, um der tatsächlichen Fusionsenergieerzeugung näher zu kommen. Die bekanntesten sind JET der Europäischen Union, TFTR in Princeton, USA, und JT-60U in Japan. Durch kontinuierliche Forschung zur Leistungssteigerung in diesen großen Tokamaks, basierend auf Daten aus kleineren Versuchsanlagen, wurde der Break-even-Punkt fast erreicht. Derzeit wird das ITER-Projekt, das größte internationale Gemeinschaftsprojekt der Menschheit, von China, der Europäischen Union, Indien, Japan, Korea, Russland und den USA durchgeführt, um die Machbarkeit der Fusionsenergie endgültig zu überprüfen.

Referenzen

• Khatri, G.. (2010). Toroidal Equilibrium Feedback Control at EXTRAP T2R.
• Garry McCracken, Peter Stott, 핵융합: 우주의 에너지, 유창모 외 2명 번역, 북스힐