Was ist Kernfusion?

Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts hatten spektroskopische Messungen des Sonnenlichts ergeben, dass die Sonne eine große Menge Wasserstoff und eine kleine Menge Helium enthält. Die Wissenschaftler waren sich dessen in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts völlig bewusst, aber da die Relativitätstheorie erst vor kurzem eingeführt worden war und sich die Quantenphysik noch in ihrer frühesten Entwicklung befand, gab es keine Möglichkeit, diese Beobachtung auf das Problem der Energieerzeugung durch Sterne anzuwenden. Dies war bis in die frühen 1920er Jahre ein Rätsel, als der britische Physiker Francis Aston entdeckte, dass die kombinierte Masse von vier Wasserstoffatomen etwas größer war als die Masse eines einzelnen Heliumatoms. Einsteins Theorie sagte voraus, dass dieser Massenunterschied in Energie umgewandelt werden würde, und Aston vermutete daher, dass Sterne Energie produzieren, indem sie Wasserstoffatome zu Helium verschmelzen. Diese Hypothese wurde in den nächsten 20 Jahren bestätigt und die Theorie der Sternfusion gilt heute als einer der Triumphe der modernen Physik.

Es wurde auch schnell klar, dass Fusionsreaktionen enorme Mengen an nützlicher Energie produzieren können. Nicht nur das, sondern der Brennstoff (Wasserstoff), den er benötigen würde, ist auf der Erde so reichlich vorhanden, dass er praktisch unbegrenzt ist, und das einzige Abfallprodukt ist Helium, das nicht toxisch ist und nicht zur globalen Erwärmung beiträgt.

In diesem Artikel wird erläutert, was Kernfusion ist und welche Auswirkungen sie als Stromquelle hat.

Masse-Energie-Umwandlung

Anders als in der Chemie wird bei einer Kernreaktion keine Masse konserviert. Man wird immer feststellen, dass sich die Masse der Reaktionsprodukte von der Masse der Reaktanten unterscheidet. Diese Massendifferenz nennt man den Massendefekt, den wir als ∆m schreiben. Die Masse scheint zu verschwinden, weil der Massendefekt durch Einsteins Gleichung in Energie umgewandelt wird. Die aus der Reaktion erhaltene Energie beträgt E = =mc². Um nützliche Energie zu erhalten, müssen wir positiv sein. Bei einer Fusionsreaktion bedeutet dies, dass die Masse des Produkts etwas geringer sein soll als die Masse der Reaktanten, beispielsweise, dass ein Heliumatom etwas leichter als vier Wasserstoffatome ist. In der Spaltung bedeutet dies, dass die Masse der Produkte kleiner sein soll als die Masse des Reaktanten, beispielsweise ein Uranatom, das etwas massereicher ist als die kombinierte Masse der Neutronen und der Krypton- und Bariumatome, die durch die Reaktion erzeugt werden. Es würde mehr Energie erfordern, um die Reaktionen in entgegengesetzte Richtungen durchzuführen, als freigesetzt werden würde: Es ist im Prinzip möglich, ein Heliumatom in Wasserstoff zu spalten, aber dieser Prozess würde mehr Energie verbrauchen als freigesetzt werden würde.

Bindungsenergie

Obwohl die Anzahl der Nukleonen bei der Reaktion gleich bleibt, warum ist ein Heliumatom leichter als vier Wasserstoffatome und warum ist ein Uranatom schwerer als die Gesamtmasse eines Krypton- und eines Bariumatoms? Wo genau ist die Übermasse? Um diese Frage zu beantworten, schreiben wir die Energieeinsparungsgleichung für die Reaktion. Sei Ep die Massenenergie eines Protons (die fast genau der Massenenergie eines Wasserstoffatoms entspricht, vernachlässigen wir das Elektron, da seine Masse ~ 1 / 2.000 der des Protons beträgt), En die Massenenergie von ein Neutron, E-He die Massenenergie eines Heliumatoms und ∆E die Energie, die durch die Reaktion freigesetzt wird. Die Energiegleichung lautet:

Dies sagt uns, dass es zwei Terme zur Gesamtenergie gibt, die im Kern eines Heliumatoms gespeichert ist. Das erste ist die Massenenergie seiner vier Nukleonen (zwei Protonen und zwei Neutronen, wir behandeln ihre Massenenergien als ungefähr gleich, da die Massenenergie eines Protons ungefähr 999/1000 der eines Neutrons beträgt) und das zweite ist ein negativer Term mit einem absoluten Wert von ∆E. Diese negative Energie wird als Bindungsenergie bezeichnet. Sie entspricht der gesamten potentiellen Energie der Wechselwirkung, bei der die starke Kernkraft alle Nukleonen zusammenhält, abzüglich der elektrischen potentiellen Energie der abstoßenden Coulomb-Kraft zwischen geladenen Teilchen. Die Bindungsenergie ist negativ, weil ein Teilchen arbeiten müsste (kinetische Energie verlieren würde), um aus dem Kern zu entkommen. Die Bindungsenergie pro Nukleon ist eine charakteristische Eigenschaft von Atomen eines bestimmten Elements. Diese Energie ist in der folgenden Tabelle dargestellt:

Hinweis: Gibt den absoluten Wert der Bindungsenergie an. Quelle: Wikimedia Commons

Eine wichtige Regel ist, dass, wenn die Produktkerne einer Reaktion eine niedrigere Bindungsenergie pro Nukleon haben (im absoluten Wert größer und daher höher auf dem Diagramm, aber im Sinne einer höheren negativen Bindungsenergie) als die Reaktanten, Energie freigesetzt wird. Um zu sehen, warum dies der Fall ist, stellen Sie sich einen Zwischenzustand nach der Reaktion (entweder Fusion oder Spaltung) vor, in dem ein Produktkern für einen einzelnen Moment als ungebundener Zustand existiert, der aus einem Durcheinander nicht wechselwirkender Protonen und Neutronen besteht. Um ein Kern zu werden, muss der Nukleonenstapel durch Wechselwirkung mit der starken Kernkraft gebunden werden. Die Energie dieser Wechselwirkung ist die Bindungsenergie, die negativ ist, sodass die Gesamtenergie des Systems, das aus dem Stapel von Nukleonen besteht, verringert wird, wenn es sich in einen richtigen Kern verwandelt. Aber Energie muss erhalten bleiben, damit das System seine innere Energie senken kann, muss es etwas Energie in seine Umgebung ausgestoßen haben.

Sie können auch auf der Tabelle sehen, dass Elemente, die schwerer als Eisen sind, Energie freisetzen, wenn sie gespalten werden, und Elemente, die leichter als Eisen sind, Energie freisetzen, wenn sie verschmolzen werden. Eisen ist das stabilste Element und es gibt keine Reaktion, die Eisen spalten oder verschmelzen kann, während gleichzeitig Energie freigesetzt wird.

Wie man eine Fusion verursacht

Wir haben festgestellt, was während der Kernfusion passiert, aber wir müssen auch wissen, wie zwei Atomkerne miteinander verschmelzen.

Atomkerne, die aus ungeladenen Neutronen und positiv geladenen Protonen bestehen, sind alle positiv geladen und stoßen sich daher gegenseitig ab. Wenn jedoch die Trennung zwischen zwei Kernen mit dem Kerndurchmesser vergleichbar ist, wird eine neue Kraft aktiv, die als starke Kernkraft bezeichnet wird. Anders als die elektrostatische Kraft, die eine unendliche Reichweite hat, hat die starke Kernkraft eine endliche Reichweite und es treten daher keine starken Kernwechselwirkungen zwischen Kernen auf, die um einen größeren Abstand als diesen Bereich voneinander entfernt sind. Im Gegensatz zur elektrostatischen Kraft ist die starke Kraft jedoch anziehend und hält Protonen und Neutronen gegen die abstoßende elektrische Kraft zusammen. Zwei Kerne verschmelzen, wenn wir sie so nah zusammenbringen können, dass die starke Kernkraft die elektrostatische Kraft überwältigt.

Anstatt hier über Kräfte nachzudenken, wird das Bild klarer, wenn wir über potenzielle Energie nachdenken und für einen ersten Durchgang einen naiven klassischen Ansatz wählen, der die Quantenmechanik ignoriert. Ein positiv geladenes Ladungsteilchen q erzeugt wie der Kern eines Wasserstoffatoms (eines Protons) ein elektrisches Potentialfeld, das gegeben ist durch:

Einheiten von Joule / Coulomb

Wobei ε0 eine physikalische Konstante ist, die als Permittivität des freien Raums bezeichnet wird. Dieses Potentialfeld sagt uns, dass, wenn zwei Ladungen Q und q durch einen Abstand r voneinander getrennt sind, die potentielle Energie, die mit ihrer gegenseitigen Wechselwirkung verbunden ist, ist:

Sie können sehen, dass diese Energie größer wird, wenn der Abstand r kleiner wird. Um die beiden Ladungen näher zusammenzubringen, müssen wir daher das System der beiden Ladungen bearbeiten. Stellen Sie sich vor, Sie zwingen die Nordpole zweier Stabmagnete zusammen. Dies ist möglich, erfordert jedoch einige Anstrengungen. Die Menge an Arbeit, die wir tun müssen, um die Fusion zweier Protonen zu induzieren, ist daher die Menge an Arbeit, die wir tun müssen, um zwei Ladungsladungen q = Q = ~ 1,6 × 10 ^ –19 Coulombs auf die Entfernung zu bringen, bei der die starke Kraft auftritt dominiert, r = 1,7 Femtometer (1fm = 10 ^ -15 Meter). Daher ist U = 1,35 × 10 –13 Joule oder ungefähr 843 keV (1 keV = 1000 Elektronenvolt).

Um die Argumentation hier besser zu verstehen, stellen Sie sich vor, Sie würden versuchen, einen Ball der Masse m so zu treten, dass er auf einen Hügel der Höhe h rollt. In der Nähe der Erdoberfläche beträgt die potentielle Energie eines Gewichts in der Höhe h U = mgh (Die Art der potentiellen Funktionen erlaubt es uns, willkürlich zu behaupten, dass das Potential am Fuß des Hügels null ist, unabhängig von der Höhe über dem Meeresspiegel.) . Wenn wir annehmen, dass die Form des Hügels durch eine Funktion y (x) gegeben ist, können wir uns den Hügel als räumliche Potentialbarriere U (x) = mgy (x) vorstellen, die der Ball mit einer kinetischen Energie größer als mgh in haben muss zu überqueren, sonst ist es gesperrt. Die Form des Hügels ist beliebig, solange wir den Luftwiderstand und die Reibung ignorieren.

Dieses Diagramm zeigt das Verhalten des Balls unter drei verschiedenen Bedingungen in Bezug auf seine kinetische Energie. Wenn die kinetische Energie des Balls weniger als mgh beträgt, erreicht der Ball eine Höhe von weniger als h und rollt dann zurück. Wenn die kinetische Energie genau gleich mgh ist, rollt der Ball auf die Spitze des Hügels und bleibt dort. Ist die kinetische Energie größer als mgh, rollt der Ball auf die Bergspitze und dann auf die andere Seite. Schauen wir uns ein Diagramm an, in dem die Situation für zwei Protonen dargestellt ist, wenn sie sich nähern.

Hinweis: Die vertikale Achse ist nicht maßstabsgetreu.

Dieses Diagramm zeigt die Gesamtenergie der Wechselwirkung der beiden Protonen. Wenn die potentielle Energie positiv ist, müssen die Protonen arbeiten, um ihre Trennung zu verringern, und daher wird die Wechselwirkung dazu führen, dass sich die Protonen gegenseitig abstoßen. Wenn die potentielle Energie negativ ist, müssten die Protonen arbeiten, um ihre Trennung zu erhöhen, und daher ist die Wechselwirkung tendenziell attraktiv.

In dem mit A bezeichneten Abschnitt der Kurve ist nur die elektrostatische Wechselwirkung aktiv und das Potential ist positiv. In einer Entfernung von ca. 1,7 fm, gekennzeichnet durch Punkt B, „schaltet“ sich die starke Wechselwirkung ein und überwältigt sofort die elektrostatische Wechselwirkung. Die Energie am Punkt B wird als die Höhe der Barriere bezeichnet. Wenn das Proton rechts von der Barriere beginnt und weniger Energie als die Barrierehöhe hat, wird der Bereich links von der Barriere als klassisch bezeichnet verbotene Region. Bei Abständen von weniger als etwa 0,7 fm (Punkt C) wechselt die starke Wechselwirkung von positiv zu abstoßend, sodass ein Partikel auf dem mit D gekennzeichneten Abschnitt der Kurve nach C zurückgeschoben wird.

Der Abschnitt der Potentialkurve, in dem die elektrostatische Wechselwirkung dominiert, V (x) für x> 1,7 fm, wird als elektrostatische Barriere oder Coulomb-Barriere bezeichnet. Wir haben zuvor diskutiert, dass die Energie der Coulomb-Barriere ~ 843 keV beträgt. Wenn im klassischen Bild das ankommende Proton eine kinetische Energie hat, die unter dieser Menge liegt, kann es die Coulomb-Barriere nicht passieren, analog zu der Situation, in der ein Ball mit einer ausreichenden Menge kinetischer Energie geschlagen werden muss, um ihn zu überwinden der Hügel.

Wie geben wir dem Proton genügend kinetische Energie? Der einfachste und effizienteste Weg ist, es sehr „heiß“ zu machen. Natürlich ist die Temperatur nicht für einzelne Atome definiert, aber wir können die Temperatur für eine große Probe von Wasserstoffatomen definieren, die als T bezeichnet wird. Die durchschnittliche kinetische Energie für eine Probe von einatomigem Gas bei der Temperatur T beträgt ⟨K⟨ = (3 / 2) kT wobei k die Boltzmannsche Konstante ist. Wir finden, dass die erforderliche Temperatur absurd hoch ist: 6,5 Milliarden Kelvin. Diese Größenordnung liegt nicht nur über allem, was vernünftigerweise auf der Erde erreicht werden könnte, sondern der Kern der Sonne hat eine geschätzte Temperatur von „nur“ 15 Millionen Kelvin, was ungefähr 0,23% der Temperatur entspricht, die wir durch unseren naiven Ansatz erhalten haben. Wie kann es also zu einer Sternfusion kommen und wie können wir jemals hoffen, hier auf der Erde fusionieren zu können?

Durchdringung der Barriere

Die Antwort liegt im Phänomen der Barrierepenetration, das auch als Quantentunneling bezeichnet wird. Wir alle wissen, dass die Position von Partikeln auf atomaren und subatomaren Entfernungsskalen nicht genau definiert ist. Wenn wir eine Messung der Position des ankommenden Protons vornehmen und feststellen, dass es rechts von der Coulomb-Barriere liegt und die Energie unter der Barrierenhöhe liegt, besteht eine Wahrscheinlichkeit von ungleich Null, dass eine zweite Messung das Proton im klassisch Verbotenen findet Region für einen beliebigen endlichen Wert der Barrierehöhe. Die Berechnung, die die WKB-Näherung verwendet, ist zu weit fortgeschritten und für die Ebene dieses Artikels kompliziert. Letztendlich können wir jedoch feststellen, dass die Gleichung, die die Wahrscheinlichkeit angibt, lautet:

Für den Fall der Sternfusion zweier Protonen stellen wir fest, dass sich das Proton bei x = 0 während des Kollisionsprozesses nicht stark bewegt, wobei das einfallende Proton eine durchschnittliche Energie von ⟨K⟨ = (3/2) kT hat, so dass E = 1935 eV, die Wahrscheinlichkeit des Eindringens der Barriere beträgt etwa 1,2 × 10 ^ -17. Dies mag wie eine extrem kleine Zahl erscheinen, bedenken Sie jedoch, dass es sich um makroskopische Mengen von Wasserstoffatomen handelt. Wenn ein Gramm Wasserstoffatome auf ein Gramm stationäre Atome fallen, sind 7,2 Millionen Fusionsereignisse zu erwarten.

Im speziellen Fall der Sternfusion ist zu beachten, dass die Fusion zweier Protonen nur der allererste Schritt im sogenannten Proton-Proton-Zyklus ist. Die beiden Wasserstoffkerne verschmelzen und bilden einen extrem instabilen gebundenen Zustand, der als Diproton bezeichnet wird und mit einer geschätzten Halbwertszeit von ~ 10 ^ -22 Sekunden zerfällt. Um ein stabiler Deuteriumkern zu werden (der dann in Helium-3 und schließlich in Helium-4 fusioniert wird), muss eines der Protonen in ein Neutron zerfallen, indem ein Positron und ein Elektronenneutrino emittiert werden. Dieser Prozess ist noch unwahrscheinlicher, aber Sterne können genug Energie produzieren, weil nur so viele Wasserstoffatome vorhanden sind. Diese Situation betrifft insbesondere den Fall der Sternfusion und würde außerdem einen langen Exkurs in die nuklearen Wechselwirkungen erfordern, sodass wir in diesem Artikel nicht viel mehr Zeit darauf verwenden werden.

Unabhängig davon, welchen Fusionsprozess wir induzieren wollen, ob es sich um zwei reguläre Wasserstoffatome oder zwei Deuterium-, Deuterium- und Tritiumatome handelt, ist dies der grundlegende Ansatz: Ein Gas aus Atomen wird bis zu dem Punkt erhitzt, an dem es erhitzt wird Die kinetische Energie ihrer zufälligen thermischen Bewegung ist groß genug, um ihnen eine ausreichend hohe Änderung der Tunnelung und damit der Verschmelzung zu ermöglichen, wenn sie kollidieren. Bei der Sternfusion wird die Wärme, die zuerst die Reaktion auslöst, durch Reibung und Druck erzeugt, wenn alle Gasatome beim Bilden des Sterns nach innen kollabieren, und von dort wird die erforderliche Wärme durch die Kettenreaktion erzeugt. In der künstlichen Fusion müssen wir etwas kreativer sein. Derzeit werden drei Haupttechniken untersucht. Das erste Verfahren wird als Neutralstrahlinjektion bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird Wärme erzeugt, indem Teilchen mit extrem hoher Energie in das Plasma geschossen werden. Die zweite nutzt schnell oszillierende Magnetfelder, um Energie in das Plasma zu pumpen. Drittens: Ohmsche Erwärmung, bei der die Tendenz eines Leiters (z. B. eines Plasmas) ausgenutzt wird, sich zu erwärmen, wenn ein hoher Strom durch ihn fließt. Ein großes Problem besteht darin, herauszufinden, wie die Reaktion so eingerichtet werden kann, dass die Fusionsreaktionen selbst dazu beitragen, das Plasma auf den erforderlichen Temperaturen zu halten. Effizientes Heizen bleibt eines der zentralen Anliegen der Fusionsforschung, zumal für die künstliche Fusion, die eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit als die Sternfusion erfordert, Temperaturen von über 100 Millionen Kelvin erforderlich sind.

Arten von Reaktoren

Bisher war dieser Artikel eher abstrakt und einige mögen dies als etwas mühsam empfinden. Aber jetzt können wir anfangen, dies konkreter zu machen, indem wir über einige der verschiedenen Arten von Fusionsreaktoren sprechen, die heute erforscht werden und die hoffentlich interessanter sind. Es ist zu beachten, dass im Gegensatz zur Sternfusion fast alle künstlichen Reaktoren Helium durch Fusion von Deuterium und Tritium entweder im D-D-Zyklus (zwei Deuteriumatome ergeben ein Helium) oder im D-T-Zyklus (ein Deuteriumatom und ein Tritium ergeben ein Helium) produzieren.

Der Tokamak

Der Tokamak-Reaktor ist wahrscheinlich der am schnellsten erkennbare der Technologien in diesem Abschnitt. Der Name ist russisch und ist die Abkürzung für die russischen Wörter für "Ringkammer mit Magnetspulen" oder alternativ "Ringkammer mit axialem Magnetfeld". Der Tokamak wurde in den 50er Jahren der ehemaligen Sowjetunion entwickelt und ist der am gründlichsten erforschte und entwickelte Fusionsreaktor. Er ist nach wie vor ein führender Kandidat für die großtechnische Erzeugung von Fusionsstrom.

Ein Tokamak-Reaktor hat eine ringförmige Kammer. Magnetfelder werden durch die grünen Spulen in der Figur und durch einen elektrischen Strom erzeugt, der vom Plasma selbst geleitet wird. Das resultierende Magnetfeld ist spiralförmig und durch die dunkelvioletten Pfeile in der Figur gekennzeichnet. Es wird daher als magnetischer Einschlussreaktor klassifiziert, dh es verwendet Magnetfelder, um das Plasma zu erhitzen und zu enthalten.

Schematische Darstellung eines Tokamaks und seiner Magnetfelder. Quelle: CCFE

Dies sind die gebräuchlichsten experimentellen Reaktortypen. Etwa drei Dutzend davon sind derzeit auf der Welt aktiv. Wenn der ITER Tokamak in Frankreich im Jahr 2025 fertiggestellt ist, wird er der größte Tokamak der Welt sein.

Plasma im MAST-Reaktor in Großbritannien. Quelle: ITER.

Der Stellerator

Das Stellerator-Muster ist ein weiteres magnetisches Begrenzungsgerät, das dem gleichen Grundprinzip wie der Tokamak folgt, jedoch einen wesentlichen Unterschied aufweist. Zur Aufnahme des Plasmas erzeugt der Tokamak ein Helixfeld. Dies erfordert, dass ein großer Strom durch das Plasma selbst geleitet wird. Dies führt dazu, dass das Plasma weniger stabil wird, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass der magnetische Einschluss versagt, die Reaktion stoppt und möglicherweise den Reaktor beschädigt. Der Stellerator vermeidet dies, indem er das Plasma und den Reaktor selbst verdreht, anstatt ein verdrehtes Magnetfeld zu erzeugen.

Schema des Plasmas (gelb) und einer Magnetfeldlinie (grün) im geplanten Wendelstein 7-X-Reaktor. Quelle: Wikimedia Commons

Dieses grundlegende Problem mit Tokamaks wurde von Enrico Fermi und seinen Kollegen sehr kurz nach dem ersten Entwurf des Tokamak bemerkt. Das Entwerfen eines Reaktors auf diese Weise erfordert jedoch äußerst genaue Computersimulationen und -zeichnungen sowie äußerst starke Magnetfelder, die von präzise gefertigten supraleitenden Spulen erzeugt werden, die zu Fermis Zeiten nicht zur Verfügung standen. Diese Technologie war erst in den 1990er Jahren verfügbar und daher konnte Stellerators erst in relativ kurzer Zeit ernsthaft vorgeschlagen werden. Der Wendelstein 7-X in Deutschland, der 2015 fertiggestellt wurde, ist derzeit der größte in Betrieb befindliche Stellerator und wird voraussichtlich 2021 einen Dauerbetrieb - einen wichtigen Meilenstein in der Fusionsforschung - erreichen.

Erste Plasmazündung in Wendelstein 7-X. Quelle: Max-Planck-Institut.

Direktantrieb

Dieser Ansatz unterscheidet sich völlig von den beiden, die wir gerade besprochen haben. Ein Direktantriebsreaktor wird als Trägheitsbegrenzungsvorrichtung klassifiziert. Bei Trägheitseinschluss werden extrem hohe Energiemengen an ein Pellet aus festem Brennstoff abgegeben, wodurch das Pellet auf extreme Temperatur erhitzt wird. Die äußere Schicht des Pellets verdampft und explodiert mit großer Kraft nach außen, und daher drückt eine Reaktionskraft zurück und erzeugt eine Stoßwelle. Diese Stoßwelle ist für die Energie und Kompression verantwortlich, die zum Erwärmen und Einschließen des resultierenden Plasmas verwendet werden. Nahezu alle neueren Geräte haben Laser verwendet.

Vereinfachte Darstellung des Inertial-Confine-Prozesses. Quelle: Wikimedia Commons.

Sie können diesen Vorgang in der Abbildung sehen. In Schritt 1 erhitzen Laser die äußere Schicht des Pellets. In Schritt 2 verdampft die äußere Schicht und erzeugt eine Stoßwelle, was zu Kräften führt, die nach innen und außen gerichtet sind. In Schritt drei zwingen die Stoßwellen das Pellet, nach innen zu kollabieren, wodurch in Schritt 4 eine Fusion induziert wird.

Dieser Ansatz wird derzeit an der National Ignition Facility in den USA untersucht.

Inertial Confinement Fusion wurde von einigen kritisiert, die behaupten, es sei eine Front für die Atomwaffenforschung, die sich als Energieforschung tarnt. Dies mag bei einigen bestimmten Regierungsakteuren durchaus der Fall sein (insbesondere die NIF wird von derselben Regierungsstelle finanziert, die den Nuklearvorrat verwaltet), aber das gesamte Gebiet der Inertial Confinement Fusion ist sehr weit gefasst, und ICF ist nach wie vor ein wichtiger und aktiver Bereich der Forschung.

Strahlvorverstärker am NIF. Mit dem Lasersystem wurde eine Leistung von 500 Terawatt erzeugt, allerdings nur für einen winzigen Moment. Quelle: Wikimedia CommonsEin Brennstoffpellet für das NIF-System. Quelle: Wikimedia Commons.

Der Farnsworth Fusor

Die Projekte, die wir bisher besprochen haben, waren enorme Unternehmungen, die nur von einigen der größten Köpfe der Welt durchgeführt werden konnten, die an Institutionen mit der finanziellen Unterstützung ganzer Nationalstaaten arbeiteten. Hier ist eine, die du zu Hause ausprobieren kannst!

Nicht ganz. Sie benötigen noch eine solide Grundkenntnis in Physik und Elektronik. Das Projekt eignet sich für jemanden mit mindestens einem Bachelor-Abschluss in Physik, der idealerweise in einem Team mit einem Budget von einigen tausend Dollar arbeitet. Als Maß für das Niveau, auf dem Sie wahrscheinlich sein möchten, ist es für Physik-Majors nicht ungewöhnlich, diese für Senior-Projekte zu erstellen.

Der Farnsworth-Fusor oder einfach Fusor unterscheidet sich von den meisten experimentellen Fusionsgeräten darin, dass er nicht dazu dient, Nutzleistung zu erzeugen. Fusoren sind hoffnungslos ineffizient. Sie haben jedoch eine gewisse Nützlichkeit als kompakte und leicht steuerbare Quellen für Neutronenstrahlung. Sie machen auch einige sehr ordentliche Bilder.

Ein Reaktor, der von Physikern an der Universität von Wisconsin-Madison gebaut wurde. Das charakteristische Muster „Stern im Glas“ ist sichtbar. Bildquelle: UWM.

Fusoren arbeiten durch elektrostatische Trägheitsbegrenzung. Dieser Vorgang ähnelt der Trägheitsbegrenzung, verwendet jedoch ein elektrisches Feld anstelle einer Druckwelle. Dies ist möglicherweise auch der einfachste Ansatz, um eine Fusion zu erreichen. Zu verschmelzende Atome (die meisten Konstruktionen verwenden Deuterium, da es vergleichsweise billig ist) werden ionisiert und werden daher aufgeladen. Ein elektrisches Feld wird durch zwei konzentrische, entgegengesetzt geladene sphärische Gitter erzeugt. Die Atome werden vom Feld in die Mitte des Reaktors geschleudert, wo sie kollidieren und eine geringe Chance haben, miteinander zu verschmelzen. Das folgende Diagramm veranschaulicht diesen Vorgang, allerdings nur in einer Dimension.

Vereinfachtes Diagramm der elektrostatischen Trägheitsbegrenzung.

Die positiv geladenen Deuteriumkerne fallen durch zufällige thermische Bewegungen in die Bereiche, in denen das elektrische Feld vorhanden ist. Es ist eine vernünftige Annäherung, dass das elektrische Feld vollständig in dieser Region enthalten ist. Das Feld beschleunigt sie zur Mitte. Sie vermissen die Anodengitter und ihr Schwung treibt sie voran. Die Kerne können verschmelzen, wenn sie in der Mitte kollidieren.

Es ist unwahrscheinlich, dass Fusoren jemals eine Rolle bei der Energieerzeugung spielen. Da sie jedoch klein und vergleichsweise kostengünstig sind und von jemandem ohne einen Doktortitel in Plasmaphysik gebaut und betrieben werden können, sind sie Gegenstand intensiver professioneller und amateurhafter Forschung. Eine kleine, aber florierende Gemeinschaft von „Fusioneers“ ist online gewachsen und hat einen vielfältigen Hintergrund, darunter professionelle Physiker, Naturwissenschaftler und gelegentliche Wunderkinder.

Cold Fusion und andere Hoaxes

Wenn und wann die Fusion als lebensfähige Energiequelle genutzt wird, wird sie zu Recht als eine der größten wissenschaftlichen Errungenschaften der Menschheit angesehen, und Ruhm und Reichtum erwarten mit Sicherheit die Wissenschaftler und Ingenieure, die das Problem endgültig lösen. Ein unglücklicher Nebeneffekt davon ist, dass die Geschichte der Fusionsforschung von wohlmeinenden, aber überhypten Projekten, die letztendlich scheitern, Scherzen, regelrechten Betrügereien und Theoretikern der Verschwörung im Bereich der freien Energie getrübt wird.

Zuallererst handelt es sich dabei um eine sogenannte „Kaltfusion“, also einen Fusionsreaktor, der bei oder nahe Raumtemperatur Nettoleistung erzeugen soll. Wir haben weiter oben in diesem Artikel beschrieben, warum extrem hohe Temperaturen erforderlich sind, damit die Fusion stattfinden kann. An dieser der Wissenschaft derzeit bekannten Tatsache führt kein Weg vorbei, ungeachtet der vielen, vielen Behauptungen, die Befürworter im Laufe der Jahrzehnte erhoben haben. Jegliche Behauptungen, dass die Fusion bei oder in der Nähe von Raumtemperatur oder tatsächlich bei Temperaturen unter 10 Millionen Grad Celsius stattgefunden hat, sollten mit intensiver Skepsis behandelt werden. Die einzige Ausnahme bildet die Myon-katalysierte Fusion, ein hochspekulativer, aber gültiger Prozess, bei dem Reaktionen nahe dem absoluten Nullpunkt stattfinden.

Leider gibt es zu viele davon im Internet, als dass ich jemals hoffen könnte, sie alle widerlegen zu können. RationalWiki hat zwei fantastische Artikel zu diesem Thema:

  • Kalte Fusion
  • Fusion werben

Bei der Bewertung von Medienbehauptungen über hochmoderne Technologien ist es am besten, optimistisch, aber angemessen skeptisch zu sein, und in der gegenwärtigen Situation gibt es tatsächlich guten Grund, optimistisch zu sein. Seien Sie trotzdem immer vorsichtig, wenn Sie in die Falle des Medienrummels und des Wunschdenkens geraten, und vertrauen Sie niemals jemandem, der versucht, Sie von etwas zu überzeugen, das zu gut klingt, um wahr zu sein.

Was machen wir jetzt?

Es gibt guten Grund zu der Annahme, dass Fusionsenergie möglich ist und zu Lebzeiten eine Schlüsselkomponente unserer Energieversorgung sein könnte. Es geht nicht mehr um technische und wissenschaftliche Machbarkeit, sondern um Wirtschaft und Politik. In den Vereinigten Staaten haben wir derzeit eine Regierung, die zunehmend uninteressiert an der Finanzierung von Forschung ist und die weiterhin im Einflussbereich der fossilen Brennstoffindustrie steht. Auf der globalen Bühne bedrohen nationalistische und reaktionäre Bewegungen den Fortschritt der internationalen Bemühungen um Zusammenarbeit und Entwicklung neuer und nachhaltiger Technologien. Für gewinnorientierte Energieunternehmen lässt die kalte Wirtschaftsrechnung einfach keinen Anreiz, den technologischen Status quo zu stören. Wenn wir Fusionskraft haben wollen und mit der Gefahr, dass sich der Klimawandel von Tag zu Tag verschlechtert, brauchen wir Fusionskraft, dann müssen wir politisch handeln.

Es gibt Grund zur Hoffnung. Die Entwicklungen in der Europäischen Union haben die Kernfusion aus dem Bereich der Spekulation und der Fusionsmacht verdrängt. Dies ist eine kurzfristige Perspektive. Eine junge und energiegeladene progressive Bewegung hat sich bewegt und gewinnt nun Wahlen und agitiert aggressiv für den wissenschaftlichen und ökologischen Fortschritt. Die Industrie für fossile Brennstoffe verliert allmählich den Einfluss auf die Gesellschaft, da Alternativen rentabler werden und die Geopolitik der Öl- und Kohleversorgung instabiler wird. Der Fortschritt wird langsam und stetig sein, aber es gibt allen Grund zu der Annahme, dass die Verschmelzung unser Zuhause in unseren Lebenszeiten antreibt.

Abschließende Bemerkungen / Streifzüge

Wenn Sie es so weit geschafft haben, dann vielen Dank für das Lesen. Ich habe diesen Blog in letzter Zeit komplett vernachlässigt und entschuldige mich dafür. Positiv ist, dass ich herausgefunden habe, wie man for-Schleifen in LaTeX verwendet, während ich die Grafiken für diesen Artikel erstellt habe, der ordentlich war. Hoffentlich kann ich demnächst mehr Aufmerksamkeit schenken. Ich sage immer wieder, dass ich versuchen werde, mindestens einen Artikel pro Woche herauszubringen, aber die Dinge haben die Angewohnheit, im Weg zu stehen. Ich plane jetzt, meine Essence of Quantum Mechanics-Reihe wieder zu starten, nachdem ich mir ein paar gute Gedanken über den Stil und die Herangehensweise gemacht habe, die ich verwenden sollte, und die Richtung, in die ich sie einschlagen sollte.

Wie immer übernehme ich die volle Verantwortung für eventuelle Fehler und freue mich über Korrekturen.