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 voll bewusst, aber da die Relativitätstheorie erst kürzlich eingeführt wurde und sich die Quantenphysik noch in ihrer frühesten Entwicklung befindet, gab es keine Möglichkeit, diese Beobachtung auf das Problem der Energieerzeugung durch Sterne anzuwenden. Dies war bis in die frühen 1920er Jahre ein völliges 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 Massendifferenz in Energie umgewandelt werden würde, und Aston stellte daher die Hypothese auf, dass Sterne Energie erzeugen, 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 erkannt, dass Fusionsreaktionen enorme Mengen an nützlicher Energie erzeugen können. Nicht nur das, sondern auch der Brennstoff (Wasserstoff), den es benötigen würde, ist auf der Erde so reichlich vorhanden, dass er praktisch unbegrenzt ist. Das einzige Abfallprodukt ist Helium, das nicht giftig ist und nicht zur globalen Erwärmung beiträgt.

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

Massenenergieumwandlung

Anders als in der Chemie bleibt die Masse bei einer Kernreaktion nicht erhalten. Man wird immer feststellen, dass sich die Masse der Reaktionsprodukte von der Masse der Reaktanten unterscheidet. Diese Massendifferenz wird als Massendefekt bezeichnet, 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, muss ∆m 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 geringer sein soll als die Masse des Reaktanten, beispielsweise dass ein Uranatom etwas massereicher ist als die kombinierte Masse der Neutronen und der Krypton- und Bariumatome, die die Reaktion erzeugt. Es würde mehr Energie erfordern, um die Reaktionen in die entgegengesetzten Richtungen durchzuführen, als freigesetzt würden: Es ist im Prinzip möglich, ein Heliumatom in Wasserstoff zu spalten, aber dieser Prozess würde mehr Energie verbrauchen als freigesetzt würde.

Bindungsenergie

Obwohl die Anzahl der Nukleonen in der Reaktion gleich bleibt, warum ist ein Heliumatom leichter als vier Wasserstoffatome und warum ist ein Uranatom schwerer als die kombinierte Masse eines Krypton- und eines Bariumatoms? Wo genau ist die zusätzliche Masse? 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, wir vernachlässigen 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 durch die Reaktion freigesetzte Energie. Die Energiegleichung lautet:

Dies sagt uns, dass es zwei Terme für die Gesamtenergie gibt, die im Kern eines Heliumatoms gespeichert ist. Die erste ist die Massenenergie seiner vier Nukleonen (zwei Protonen und zwei Neutronen, wir behandeln ihre Massenenergien als ungefähr gleich, da die Massenenergie eines Protons etwa 999/1000 der eines Neutrons beträgt) und die zweite ist ein negativer Term mit einem absoluten Wert von ∆E. Diese negative Energie wird Bindungsenergie genannt. 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, da ein Teilchen arbeiten müsste (kinetische Energie verlieren), um aus dem Kern zu entweichen. Die Bindungsenergie pro Nukleon ist eine charakteristische Eigenschaft von Atomen eines bestimmten Elements, und diese Energie ist in der folgenden Tabelle dargestellt:

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

Eine wichtige Regel ist, dass Energie freigesetzt wird, wenn die Produktkerne einer Reaktion eine niedrigere (im Absolutwert höhere und daher höhere in der Tabelle, aber im Sinne einer negativeren Bindung) Energie pro Nukleon aufweisen als die Reaktanten. 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 Stapel von Nukleonen durch Wechselwirkung über die starke Kernkraft gebunden werden. Die Energie dieser Wechselwirkung ist die Bindungsenergie, die negativ ist, so dass 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 in der Tabelle sehen, dass Elemente, die schwerer als Eisenfreisetzungsenergie sind, wenn sie geteilt werden, und Elemente, die leichter als Eisenfreisetzungsenergie sind, wenn sie verschmolzen sind. Eisen ist das stabilste Element und es gibt keine Reaktion, die Eisen spalten oder verschmelzen und gleichzeitig Energie freisetzen kann.

Wie man eine Fusion verursacht

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

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, die als starke Kernkraft bezeichnet wird, aktiv. Im Gegensatz zur elektrostatischen Kraft, die einen unendlichen Bereich hat, hat die starke Kernkraft einen endlichen Bereich und es treten daher keine starken nuklearen Wechselwirkungen zwischen Kernen auf, die durch einen Abstand voneinander getrennt sind, der größer als dieser Bereich ist. Im Gegensatz zur elektrostatischen Kraft ist die starke Kraft jedoch attraktiv und hält Protonen und Neutronen gegen die abstoßende elektrische Kraft zusammen. Zwei Kerne verschmelzen, wenn wir sie nahe genug zusammenbringen können, damit die starke Kernkraft die elektrostatische Kraft überwältigt.

Anstatt hier über Kräfte nachzudenken, wird das Bild klarer, wenn wir in Bezug auf potenzielle Energie denken 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 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 am System der beiden Ladungen arbeiten. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, die Nordpole zweier Stabmagnete zusammenzudrücken. Es ist möglich, aber es erfordert 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 Coulomb auf die Entfernung zu bringen, in der die starke Kraft ist dominiert, r = 1,7 Femtometer (1 fm = 10 ^ -15 Meter). Daher ist U = 1,35 × 10 –13 Joule oder ungefähr 843 keV (1 keV = 1000 Elektronenvolt).

Um die Argumentation hier greifbarer zu verstehen, stellen Sie sich vor, Sie versuchen, einen Ball der Masse m so zu treten, dass er auf die Spitze eines Hügels 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 Fuße des Hügels unabhängig von der Höhe über dem Meeresspiegel Null ist). . 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, dass der Ball eine kinetische Energie haben muss, die größer als mgh ist um 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. Wenn die kinetische Energie größer als mgh ist, rollt der Ball auf die Spitze des Hügels und dann auf die andere Seite. Schauen wir uns ein Diagramm an, das die Situation für zwei Protonen veranschaulicht, 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 daran arbeiten, ihre Trennung zu verringern, und daher führt die Wechselwirkung dazu, 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 gekennzeichneten 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 Höhe der Barriere bezeichnet. Wenn das Proton rechts von der Barriere beginnt und weniger Energie als die Barrierehöhe hat, bezeichnen wir den Bereich links von der Barriere als klassisch verbotene Region. Bei Abständen von weniger als etwa 0,7 fm, die durch Punkt C festgestellt werden, wechselt die starke Wechselwirkung von positiv zu abstoßend, so dass 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 das ankommende Proton im klassischen Bild eine kinetische Energie hat, die unter dieser Menge liegt, kann es die Coulomb-Barriere nicht überqueren, analog zu der Situation, in der ein Ball mit einer ausreichenden Menge kinetischer Energie getreten werden muss, um ihn zu überwinden der Hügel.

Wie geben wir dem Proton also genug kinetische Energie? Der einfachste und effizienteste Weg ist es, 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, nennen wir sie T. 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 Größenordnungen liegen nicht nur über allem, was auf der Erde vernünftigerweise erreicht werden könnte, sondern der Kern der Sonne hat eine geschätzte Temperatur von „nur“ 15 Millionen Kelvin, was etwa 0,23% der Temperatur entspricht, die wir durch unseren naiven Ansatz erhalten haben. Wie kommt es also, dass möglicherweise eine Sternfusion stattfinden könnte, und wie könnten wir jemals hoffen, hier auf der Erde eine Fusion durchzuführen?

Barrieredurchdringung

Die Antwort liegt im Phänomen der Barrierepenetration, auch als Quantentunnelung bekannt. Wir alle wissen, dass die Position für Partikel auf atomaren und subatomaren Entfernungsskalen nicht genau definiert ist. Wenn wir eine Messung der Position des ankommenden Protons durchführen und feststellen, dass es sich rechts von der Coulomb-Barriere befindet und die Energie unter der Barrierehöhe liegt, besteht eine Wahrscheinlichkeit ungleich Null, dass eine zweite Messung das Proton im klassisch verbotenen findet Bereich für einen endlichen Wert der Barrierehöhe. Die Berechnung, die die WKB-Näherung verwendet, ist für das Niveau dieses Artikels zu fortgeschritten und kompliziert, aber letztendlich können wir 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 viel bewegt, wobei das ankommende Proton eine durchschnittliche Energie von ⟨K⟩ = (3/2) kT aufweist, so dass E = 1935 eV beträgt die Wahrscheinlichkeit des Eindringens der Barriere etwa 1,2 × 10 ^ -17. Dies mag wie eine extrem kleine Zahl erscheinen, aber denken Sie daran, dass es sich um makroskopische Mengen von Wasserstoffatomen handelt. Wenn ein Gramm Wasserstoffatome auf ein Gramm stationäre Atome fallen, können 7,2 Millionen Fusionsereignisse erwartet werden.

Im speziellen Fall der Sternfusion sollten wir beachten, dass die Fusion zweier Protonen nur der allererste Schritt im sogenannten Proton-Proton-Zyklus ist. Die beiden Wasserstoffkerne verschmelzen und werden zu einem 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 zu Helium-3 und schließlich zu Helium-4 fusioniert wird), muss eines der Protonen durch Emission eines Positrons und eines Elektronenneutrinos in ein Neutron zerfallen. Dieser Prozess ist noch unwahrscheinlicher, aber dennoch können Sterne genug Energie produzieren, weil nur so viele Wasserstoffatome vorhanden sind. Diese Situation gilt insbesondere für den Fall der Sternfusion und würde außerdem einen langen Exkurs in nukleare Wechselwirkungen erfordern, sodass wir in diesem Artikel nicht viel mehr Zeit damit verbringen werden.

Unabhängig davon, welchen Fusionsprozess wir zu induzieren versuchen, ob es sich um zwei reguläre Wasserstoffatome oder zwei Atome von Deuterium, Deuterium und Tritium oder irgendetwas anderes handelt, ist dies der grundlegende Ansatz: Ein Gas von Atomen wird bis zu dem Punkt erhitzt, an dem Die kinetische Energie ihrer zufälligen thermischen Bewegung ist groß genug, um ihnen eine ausreichend hohe Änderung des Tunnelns und damit der Verschmelzung zu verleihen, wenn sie kollidieren. Bei der Sternfusion wird die Wärme, die die Reaktion zuerst entzündet, durch Reibung und Druck erzeugt, wenn alle Gasatome nach innen kollabieren, wenn sich der Stern bildet, und von dort wird die erforderliche Wärme durch die Kettenreaktion erzeugt. Bei der künstlichen Fusion müssen wir etwas kreativer sein. Derzeit werden drei Haupttechniken erforscht. Die erste wird als Neutralstrahlinjektion bezeichnet, und dieser Prozess erzeugt die Wärme, indem extrem energiereiche Partikel in das Plasma geschossen werden. Die zweite verwendet schnell oszillierende Magnetfelder, um Energie in das Plasma zu pumpen. Drittens handelt es sich um eine 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 offenes Problem besteht darin, herauszufinden, wie die Reaktion so aufgebaut werden kann, dass die Fusionsreaktionen selbst dazu beitragen, das Plasma auf den erforderlichen Temperaturen zu halten. Effizientes Erhitzen bleibt eines der zentralen Anliegen der Fusionsforschung, zumal die künstliche Fusion, die eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit als die Sternfusion erfordert, Temperaturen von mehr als 100 Millionen Kelvin erfordert.

Reaktortypen

Bisher war dieser Artikel eher abstrakt und einige mögen das als etwas langweilig empfinden. Aber jetzt sind wir in der Lage, dies konkreter zu machen, indem wir über einige der verschiedenen Arten von Fusionsreaktoren sprechen, die heute erforscht werden und die hoffentlich interessanter sind. Beachten Sie, dass im Gegensatz zur Sternfusion fast alle künstlichen Reaktoren Helium produzieren, indem sie Deuterium und Tritium fusionieren, entweder im DD-Zyklus (zwei Deuteriumatome, um ein Helium zu produzieren) oder im DT-Zyklus (ein Deuteriumatom und ein Tritium, um auf Helium zu produzieren).

Der Tokamak

Der Tokamak-Reaktor ist wahrscheinlich die am schnellsten erkennbare Technologie in diesem Abschnitt. Der Name ist russisch und ist die Abkürzung für die russischen Wörter für "Toroidkammer mit Magnetspulen" oder alternativ "Toroidkammer mit axialem Magnetfeld". Der Tokamak wurde in den 1950er Jahren der ehemaligen Sowjetunion entwickelt und ist der am gründlichsten erforschte und entwickelte Fusionsreaktorstil. Er ist nach wie vor ein führender Kandidat für die großtechnische Erzeugung von Fusionsstrom.

Ein Tokamak-Reaktor hat eine toroidale (donutförmige) 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 helikal und wird durch die dunkelvioletten Pfeile in der Figur angezeigt. Es wird daher als magnetischer Einschlussreaktor klassifiziert, dh es verwendet Magnetfelder, um das Plasma zu erwärmen und zu enthalten.

Schematische Darstellung eines Tokamak und seiner Magnetfelder. Quelle: CCFE

Dies sind die häufigsten Arten von Versuchsreaktoren, von denen derzeit etwa drei Dutzend weltweit aktiv sind. 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 eine weitere magnetische Begrenzungsvorrichtung, die dem gleichen Grundprinzip wie der Tokamak folgt, jedoch einen wesentlichen Unterschied aufweist. Um das Plasma aufzunehmen, erzeugt der Tokamak ein helikales Feld. 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 Grundproblem mit Tokamaks wurde von Enrico Fermi und seinen Kollegen sehr kurz nach dem ersten Vorschlag für das Tokamak-Design festgestellt. Die Konstruktion eines Reaktors auf diese Weise erfordert jedoch äußerst präzise Computersimulationen und -entwürfe sowie äußerst starke Magnetfelder, die von präzise hergestellten supraleitenden Spulen erzeugt werden, die zu Fermis Zeiten nicht verfügbar waren. Diese Technologie war erst in den 1990er Jahren verfügbar und daher konnten Stelleratoren erst vor relativ kurzer Zeit ernsthaft vorgeschlagen werden. Der 2015 fertiggestellte Wendelstein 7-X in Deutschland ist derzeit der größte in Betrieb befindliche Stellerator und wird voraussichtlich 2021 einen kontinuierlichen Betrieb erreichen - ein wichtiger Meilenstein in der Fusionsforschung.

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

Direktantrieb

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

Vereinfachte Darstellung des Trägheitsbegrenzungsprozesses. Quelle: Wikimedia Commons.

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

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 sehr wohl bei einigen spezifischen Regierungsakteuren der Fall sein (insbesondere der NIF wird von derselben Regierungsstelle finanziert, die den Nuklearvorrat verwaltet), aber das gesamte Feld der Fusion von Trägheitsbeschränkungen ist sehr breit und ICF ist immer noch ein wichtiger und aktiver Bereich der Forschung.

Strahlvorverstärker am NIF. Das Lasersystem wurde verwendet, um eine Leistung von 500 Terawatt zu erzeugen, wenn auch nur für einen winzigen Moment. Quelle: Wikimedia CommonsEin Brennstoffpellet für das NIF-System. Quelle: Wikimedia Commons.

Der Farnsworth Fusor

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

Nicht ganz. Sie benötigen noch eine sehr solide Grundlage 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 sein Zweck nicht darin besteht, Nutzleistung zu erzeugen. Fusoren sind hoffnungslos ineffizient. Sie sind jedoch als kompakte und leicht steuerbare Quellen für Neutronenstrahlung nützlich. Sie machen auch einige sehr nette Bilder.

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

Fixierer arbeiten durch elektrostatische Trägheitsbegrenzung. Dieser Prozess ähnelt der Trägheitsbegrenzung, verwendet jedoch ein elektrisches Feld anstelle einer Druckwelle. Dies ist möglicherweise auch der einfachste Ansatz zur Erzielung einer Fusion. Zu verschmelzende Atome (die meisten Designs verwenden Deuterium, da es vergleichsweise kostengünstig ist) werden ionisiert und werden daher geladen. 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, 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 trägt sie vorwärts. 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 Doktortitel in Plasmaphysik gebaut und betrieben werden können, sind sie dennoch Gegenstand intensiver professioneller und Amateurforschung. Eine kleine, aber florierende Community von „Fusioneers“ ist online gewachsen und hat einen vielfältigen Hintergrund, darunter professionelle Physiker, Wissenschaftshobbyisten und gelegentliche Wunderkinder.

Kalte Fusion und andere Scherze

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 warten sicherlich auf die Wissenschaftler und Ingenieure, die das Problem endgültig lösen. Ein unglücklicher Nebeneffekt davon ist, dass die Geschichte der Fusionsforschung von wohlmeinenden, aber überhypten Projekten getrübt wird, die letztendlich scheitern, Scherzen, regelrechten Betrug und Theoretikern der Verschwörung freier Energie.

Zu den wichtigsten gehört die sogenannte „Kaltfusion“, dh ein Fusionsreaktor, der angeblich Nettoleistung bei oder nahe Raumtemperatur erzeugt. Wir haben weiter oben in diesem Artikel beschrieben, warum extrem hohe Temperaturen erforderlich sind, damit eine Fusion stattfindet. An dieser Tatsache, die der Wissenschaft derzeit bekannt ist, führt kein Weg vorbei, ungeachtet der vielen, vielen Behauptungen, die Befürworter im Laufe der Jahrzehnte aufgestellt haben. Alle Behauptungen, dass die Fusion bei oder nahe Raumtemperatur oder tatsächlich bei Temperaturen unter 10 Millionen Grad Celsius erreicht wurde, sollten mit intensiver Skepsis behandelt werden. Die einzige Ausnahme ist die Myon-katalysierte Fusion, ein hochspekulativer, aber gültiger Prozess, bei dem Reaktionen nahe dem absoluten Nullpunkt stattfinden.

Leider schweben 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 umwerben

Bei der Bewertung von Medienansprüchen zu hochmodernen Technologien ist es am besten, optimistisch, aber angemessen skeptisch zu sein, und in der aktuellen Situation gibt es tatsächlich gute Gründe, optimistisch zu sein. Seien Sie dennoch 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 Fusionskraft möglich ist und eine Schlüsselkomponente unserer Energieversorgung in unseren Lebenszeiten 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 sich zunehmend nicht mehr für die Finanzierung von Forschung interessiert und die weiterhin von der Industrie für fossile Brennstoffe betroffen ist. 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 wirtschaftliche Berechnung einfach keinen Anreiz, den technologischen Status quo zu stören. Wenn wir Fusionskraft haben wollen und angesichts der Gefahr, dass sich der Klimawandel von Tag zu Tag verschlechtert, brauchen wir Fusionskraft, dann wird es politisches Handeln erfordern.

Es gibt Grund zur Hoffnung. Die Entwicklungen in der Europäischen Union haben die Kernfusion aus dem Bereich der Spekulation herausgebracht, und die Fusionskraft ist nun eine kurzfristige Perspektive. Eine junge und energiegeladene progressive Bewegung hat sich bewegt und gewinnt jetzt Wahlen und agitiert aggressiv für den wissenschaftlichen und ökologischen Fortschritt. Die fossile Brennstoffindustrie verliert endlich ihren 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 Fusion unsere Häuser in unseren Lebenszeiten antreiben wird.

Abschließende Bemerkungen / Streifzüge

Wenn Sie es bis hierher geschafft haben, vielen Dank für das Lesen. Ich habe diesen Blog in letzter Zeit völlig vernachlässigt und entschuldige mich dafür. Positiv zu vermerken ist, dass ich herausgefunden habe, wie man Loops in LaTeX verwendet, während ich die Grafiken für diesen Artikel erstellt habe, der ordentlich war. Hoffentlich kann ich bald mehr Aufmerksamkeit darauf richten. Ich sage immer wieder, dass ich versuchen werde, mindestens einen Artikel pro Woche herauszubringen, aber die Dinge haben die Angewohnheit, sich in den Weg zu stellen. Ich plane jetzt, meine Essence of Quantum Mechanics-Reihe wieder zu starten, da ich einige gute Gedanken über den Stil und die Herangehensweise hatte, die ich verwenden sollte, und über die Richtung, in die ich sie einschlagen sollte.

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