moziloCMS - Das CMS für Einsteiger :: Energieformen :: Kernfusion

{Sidebar}
Suche
Counter
{SimpleCounter}

Kernfusion



Die Technologie eines Fusionskraftwerks


Ein Fusionskraftwerk bündelt viele Extreme, die beherrscht und kontrolliert werden müssen. Eines dieser Extreme ist das Plasma, welches Temperaturen von 100 Millionen °C benötigt. Doch wie erreicht man solche Temperaturen?
Eine Stromheizung kann das Plasma bis auf 15 Millionen °C erhitzen, indem es innerhalb eines Tokamaks in dem Plasma über einen Transformator einen Strom induziert. Der induzierte Strom wiederum erwärmt das Plasma in Abhängigkeit des Plasmawiderstandes. Leider endet diese Methode bei 15 Millionen °C, da der Widerstand des Plasmas dann gegen 0 geht. Neben der nicht ausreichenden Erwärmung hat die Stromheizung noch einen weiteren Nachteil. Beim Erreichen der maximalen Induktion muss der Transformator neu gestartet werden, dadurch kann ein Tokamak nicht ausschließlich über eine Stromheizung betrieben werden. Allerdings erzeugt der induzierte Strom auf der anderen Seite ein Magnetfeld, welches wichtig für den freien, keine Gefäßwand berührenden, Lauf des Plasmas ist.
Eine weitere Möglichkeit der Erwärmung besteht in der Nutzung einer Neutralteilchenheizung, die ionisierte Atome durch elektrische Felder beschleunigt.  Bevor das Ion auf das Plasma trifft muss es neutralisiert werden. So, dass ausschließlich neutrale Atome ins Plasma eindringen und dort ihre Bewegungsenergie auf die Teilchen des Plasmas übertragen. Dieses führt zur Erwärmung des Plasmas. Leider hat auch dieses Verfahren Nachteile. An der Einschussstelle kommt es zum Beispiel zu einer Erhöhung der Plasmadichte. Des Weiteren ist die Nähe der Ionenquelle zum Plasmagefäß nicht unkritisch und es muss eine gerade Verbindung von der Ionenquelle zum Plasma gewährleistet sein. Um eine Teilchenbehinderung auszuschließen, darf auch kein Fenster oder auch nur Luftmöleküle vorhanden sein, was wiederum eine direkte Bestrahlung der Ionenquelle durch Neutronenstrahlung  zur Folge hat.  

  

Ein weiteres Verfahren ist die Hochfrequenz-Heizung. Bei dieser Methode werden elektromagnetische Wellen von einem Sender über Übertragungsleitungen zu einer Antenne gesendet. Diese Antenne überträgt die Welle dann an das Plasma. Durch die Antenne muss der Sender nicht direkt am Plasmagefäß platziert werden. Er kann weiter entfernt aufgebaut und so vor der Neutronenstrahlung abgeschirmt werden. Die Antenne überträgt die Welle
an das Plasma, welches die Energie der Welle in Form von Wärme aufnimmt. Wenn das Plasma einmal auf Betriebstemperatur aufgeheizt wurde, startet eine Art Eigenbeheizung. Durch die Entstehung von Heliumkernen, die mit anderen Teilchen zusammenstoßen, wird diese Eigenerwärmung hervorgerufen.
Doch nicht nur die Erwärmung des Plasmas spielt eine Rolle. Das Plasma muss auch in Form gehalten werden. Dies lässt sich mit Magneten bewerkstelligen, die aufgrund des benötigten Druckes von ca. 10 Bar Magnetfeldstärken von min. 5 Tesla erzeugen müssen. Diese Feldstärke ist das absolute Minimum und wird nur in kleineren, kurzzeitig laufenden Fusionsreaktoren eingesetzt. Bei größeren Reaktoren mit einer dauerhaften Laufleistung werden Felder von 11 bis 13 Tesla benötigt. Diese Feldstärke kann nicht mit normalen Magneten erreicht werden. Hierfür benötigt man supraleitende Magnete. Unter Supraleitung versteht man Materialien, deren Widerstand gegen 0 geht. Erreichen kann man dieses durch die Abkühlung eines Körpers unter seine Sprungtemperatur. Neben dem nahezu nicht mehr vorhandenen Widerstand treten unter der Sprungtemperatur besondere magnetische Eigenschaften auf. Einsatzfähige Drähte konnten heutzutage nur aus Niob-Titan (Sprungtemperatur bei ca. 10 Kelvin) und Niob-Zinn (Sprungtemperatur bei ca. 18 Kelvin) gefertigt werden. Die Sprungtemperatur bei Niob-Titan liegt bei ca. 10 Kelvin. Diese niedrigen Temperaturen machen eine Kühlung der Magnete mit flüssigem Helium ( extreme Kraft) notwendig.
Die eigentliche Stromerzeugung wird innerhalb eines normalen Dampf-Wasserkreislaufes erzeugt. Um das Wasser erhitzen zu können, müssen die Neutronen ihre Energie in Wärme umwandeln. Dies geschieht in so genannten Blankets,  die inneren Auskleidungstücke des Reaktors. Sie wandeln die Plasmaenergie in Wärme und schützen vor der Neutronenstrahlung. Basis dieser Blankets ist ein Stahlkasten, welcher an sich nochmals mit senkrechten und waagerechten Stahlplatten unterteilt ist. Zwischen den Stahlplatten werden Bruteinheiten gesetzt. Diese bestehen aus Kühlplatten, zwischen denen sich abwechselnd Keramik und Beryllium befinden. Der Einsatz von Beryllium dient dem Abfangen der Neutronen. Um eine Wärmeleitung der Stahlplatten zum Wasser zu erreichen, sind die Platten mit Helium durchströmten Leitungen durchzogen. Das Helium in den Leitungen hat eine Temperatur von 300°C. Die Leitungen verlaufen von den Innersten, dem Plasma am nächsten gelegenen, über die Brutplatten eingrenzenden, bis hin zu den Kühlplatten der Bruteinheit. Am Ende strömt das Helium mit ca. 500°C zurück. Nun wird das erhitzte Helium in den Dampf-Wasser-Kreislauf geleitet. Durch das aufgeheizte Helium in den Leitungen verdampft das Wasser im Wasser-Dampf-Kreislauf, dieser entstandene Dampf treibt dann schlussendlich eine Turbine an.
http://www.fusion.kit.edu/img/blanket1.jpg   http://www.fusion.kit.edu/img/blanket1.jpg

Ein anderes wichtiges Teil eines Kernfusionsreaktors ist der Divertor. Die Funktion des Divertors besteht darin, die Fusionsasche (Helium, unverbranntes Deuterium bzw. Tritium, Verunreinigungen) aus dem Plasma zu entfernen. Außerdem muss der Divertor die in Wärme umgewandelte Fusionsenergie abführen. Zusammen mit den Blankets bildet der Divertor eine Mantelfläche und schützt so auch vor der Neutronenstrahlung. Bestandteile eines Divertors sind der Dom (welcher die Absaugöffnung für die Fusionsasche enthält) die Struktur der Kühlleitungen und die Prallplatten (welche gegen die Fusionsasche gelenkt werden).

  • der Dom (welcher die Absaugöffnung für die Fusionsasche enthält)
  • die Struktur der Kühlleitungen
  • und die Prallplatten (welche gegen die Fusionsasche gelenkt werden)
Da die Plasma-Ionen eine hohe Energie besitzen, wird diese Energie bei einem Aufprall auf die Prallplatten in Wärme umgesetzt. Durch diese hohe Wärme wird die oberste Schicht zerstört, weshalb die Plasmaplatten eine Opferschicht aus Wolfram ( sehr hohe Schmelzgrenze) oder einer Wolframlegierung besitzen müssen. Trotz der Opferschicht liegt die Lebensdauer der Prallplatten lediglich bei ca. 2 Jahren. Die bei dem Prozess entstehende Wärme muss durch eine gute Kühlung kontrollierbar bleiben.  Als Kühlmittel geeignet ist neben Helium auch Wasser. Gegenüber dem Wasser bietet Helium allerdings den Vorteil, weder chemisch noch mit den Neutronen des Plasmas zu reagieren. Daneben kann Helium höhere Temperaturen kühlen und lässt sich relativ einfach in den Stromgewinnungsprozess eingliedern, was wiederum die Wirksamkeit des Kraftwerks erhöht. Abschließend sollte auch der Sicherheitsaspekt der Kühlung durch Helium nicht vergessen werden. Da  Helium ein Edelgas ist, reagiert es, wie bereits erwähnt, nicht mit anderen Stoffen. Wasser hingegen reagiert mit sämtlichen Verunreinigungen, was die Gefahr der Entstehung von Wasserstoff mit sich  bringt.


Die Fusionsreaktion

Um Energie zu erzeugen, muss immer irgendeine Form der Reaktion stattfinden. Im Plasma des Fusionsreaktors findet eine Fusionsreaktion statt. Am effizientesten ist dabei die Deuterium-Tritium-Reaktion.
Deuterium und Tritium sind beides Isotope des Wasserstoffs. Während „normaler“ Wasserstoff nur aus einem Proton und einem Elektron besteht, hat Deuterium zusätzlich noch ein und Tritium zusätzlich noch zwei Neutronen.

Bild "4_Kernfusion.png"

Die Deuterium-Tritium-Reaktion im  Reaktor findet statt, weil die beiden Atomkerne mit sehr hoher Geschwindigkeit aufeinander prallen. Dabei werden die Abstoßungskräfte( zur Erinnerung, beide Kerne sind positiv geladen) überwunden und es entsteht ein neuer Atomkern aus zwei Protonen und drei Neutronen. Dieser Kern ist allerdings instabil und zerfällt sofort in einen Atomkern bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen(also in einen Heliumkern) und ein Neutron.

Bild "5_Kernfusion.png"

Energie wird bei dieser Reaktion dadurch gewonnen, dass das Neutron mit einer kinetischen Energie (also Bewegungsenergie) von 14 Millionen Elektronenvolt, der Heliumkern immerhin mit einer Energie von 3,5 Millionen Elektronenvolt weggestoßen wird. Diese Energie kann ( Zukunftsillusion, der Wissenschaftler)  zur Stromerzeugung genutzt werden.

Elektronenvolt

Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Elektron gewinnt, wenn es in einem elektrischen Feld mit einer Spannung von einem Volt beschleunigt wird. Oder umgerechnet entspricht ein Elektronenvolt 4,4505*10-26 kWh. 14 Millionen Elektronenvolt sind also 6,2307*10-19kWh. Klingt erst einmal ziemlich wenig, ist es auch. Es müssen zehn Trillionen Reaktionen stattfinden, um 6,2307 kWh zu
erzeugen. Ein Gramm Deuterium enthält aber 2,99*10²³, also knapp 300 Trilliarden Deuteriumkerne. Es können also genug Reaktionen ablaufen, um das ganze wirtschaftlich zu machen.

RECHNUNG AUFSETZEN, WIEVEIL IN ETWA?











Plasma

Allgemein bekannt sind drei Aggregatszustände in denen sich ein Stoff befinden kann: fest, flüssig, gasförmig. Am Beispiel von Wasserstoff:

Bild "6_Kernfusion.jpg"

Doch es gibt noch einen vierten Aggregatszustand: Das Plasma.

Bild "7_Kernfusion.png"

Plasma klingt erst mal abenteuerlich, aber auch das hier ist Plasma:

Bild "8_Kernfusion.png"

Zugegeben,  das Plasma in einer Kerzenflamme ist nur teilweise ein Plasma, für „richtiges“ Plasma muss es viel heißer werden. Trotzdem hat jeder schon mal Plasma bzw. seine Auswirkungen gesehen. Die Sonne ist ein Plasma, dort herrschen Temperaturen und Drücke, die auch die Entstehung eines „richtigen“ Plasmas bewirken. Blitze erzeugen auch ein Plasma in der Luft um sich herum.

Plasma heißt einfach, dass die Elektronen und Atomkerne voneinander getrennt werden.  Dies kann man sich in etwas so vorstellen:

Bild "9_Kernfusion.png"

Das uns bekannte elementare Atom muss sich aufgrund der Hitze von seiner Elektronenhülle trennen. Es entstehen also ein Atomkern und freie Elektronen:

Bild "10_Kernfusion.jpg"

Quellen:
-> http://knowledge.allianz.de/nopi_downloads/images/2_wasserdampf_q.jpg
-> http://www.spirofrog.de/blog/bilder/wasser.jpg
-> http://www.allmystery.de/dateien/uh60967,1293126381,eis-775494.jpg
-> http://www.uni-giessen.de/cms/fbz/fb07/fachgebiete/physik/einrichtungen/iamp/forsch/vierterzustand/der-vierte-zustand-10/image1_2column
-> http://www.uni-giessen.de/cms/fbz/fb07/fachgebiete/physik/einrichtungen/iamp/forsch/vierterzustand