Probleme der Schaffung von thermonuklearen Anlagen. Internationale Zeitschrift für angewandte und Grundlagenforschung

Es wurde eine neue Technik entwickelt, um außer Kontrolle geratene Elektronen effektiv zu verlangsamen, indem "schwere" Ionen wie Neon oder Argon in den Reaktor eingeführt werden.

Ein funktionierender Fusionsreaktor ist immer noch ein Traum, aber dank viel Forschung und Experimentieren mit dem Ziel, eine unbegrenzte Versorgung mit sauberer Energie zu erschließen, könnte er schließlich wahr werden. Die Probleme, vor denen die Wissenschaftler stehen, um die Kernfusion zu erreichen, sind zweifellos ernst und in der Tat schwierig, aber alles ist überwindbar. Und es scheint, dass eines der Hauptprobleme gelöst ist.

Die Kernfusion ist kein von Menschenhand erfundener Prozess, sondern ursprünglich in der Natur vorhanden, der Prozess speist unsere Sonne. Tief im Inneren unseres Heimatsterns sitzen Wasserstoffatome zusammen, um Helium zu bilden, das den Prozess in Gang setzt. Die Fusion setzt eine enorme Energiemenge frei, erfordert jedoch enorme Kosten, um extrem hohen Druck und Temperatur zu erzeugen, die auf der Erde nur schwer kontrolliert reproduziert werden können.

Letztes Jahr brachten uns Forscher am MIT der Fusion näher, indem sie Plasmen auf genau den richtigen Druck brachten, jetzt haben zwei Forscher der Chalmers University ein weiteres Puzzleteil entdeckt.

Ein Problem, auf das Ingenieure gestoßen sind, sind außer Kontrolle geratene Elektronen. Diese extrem energiereichen Elektronen können plötzlich und unerwartet auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigen, was die Reaktorwand ohne Vorwarnung zerstören kann.

Die Doktoranden Linnea Heshlow und Ole Amberose haben eine neue Technik entwickelt, um diese außer Kontrolle geratenen Elektronen effektiv zu verlangsamen, indem sie "schwere" Ionen wie Neon oder Argon in den Reaktor einbringen. Infolgedessen werden Elektronen, die mit einer hohen Ladung in den Kernen dieser Ionen kollidieren, langsamer und werden viel besser kontrollierbar.

„Wenn wir die außer Kontrolle geratenen Elektronen effektiv verlangsamen können, werden wir einem funktionsfähigen Fusionsreaktor einen Schritt näher kommen“, sagt Linnea Heshlov.

Die Forscher haben ein Modell entwickelt, das die Energie und das Verhalten von Elektronen effektiv vorhersagen kann. Mithilfe von Mathematical Plasma Modeling können Physiker nun die Austrittsgeschwindigkeit von Elektronen effektiv steuern, ohne den Fusionsprozess zu unterbrechen.

„Viele Leute glauben, dass das funktionieren wird, aber es ist einfacher, zum Mars zu gehen, als eine Fusion zu erreichen“, sagt Linnea Heshlov: „Man könnte sagen, dass wir hier auf der Erde versuchen, Sterne zu sammeln, und das kann einige Zeit dauern. Es braucht unglaublich hohe Temperaturen, heißer als das Zentrum der Sonne, damit wir hier auf der Erde erfolgreich verschmelzen können. Also hoffe ich, dass es alles eine Frage der Zeit ist."

basierend auf newatlas.com, Übersetzung

9. Juli 2016

Innovative Projekte mit modernen Supraleitern werden bald eine kontrollierte thermonukleare Fusion ermöglichen, sagen einige Optimisten. Experten gehen jedoch davon aus, dass die praktische Anwendung mehrere Jahrzehnte dauern wird.

Warum ist es so schwierig?

Fusionsenergie gilt als potenzielle Energiequelle der Zukunft. Das ist die reine Energie des Atoms. Aber was ist das und warum ist es so schwer zu erreichen? Zunächst müssen wir den Unterschied zwischen klassischer Kernspaltung und thermonuklearer Fusion verstehen.

Die Spaltung des Atoms besteht darin, dass radioaktive Isotope – Uran oder Plutonium – gespalten und in andere hochradioaktive Isotope umgewandelt werden, die dann vergraben oder recycelt werden müssen.

Die Fusionsreaktion besteht darin, dass zwei Wasserstoffisotope - Deuterium und Tritium - zu einem Ganzen verschmelzen und ungiftiges Helium und ein einzelnes Neutron bilden, ohne radioaktiven Abfall zu produzieren.

Steuerungsproblem

Die Reaktionen, die auf der Sonne oder in einer Wasserstoffbombe stattfinden, sind thermonukleare Fusion, und Ingenieure stehen vor einer entmutigenden Aufgabe – wie kann man diesen Prozess in einem Kraftwerk steuern?

Daran arbeiten Wissenschaftler seit den 1960er Jahren. Ein weiterer experimenteller Fusionsreaktor namens Wendelstein 7-X hat im norddeutschen Greifswald seinen Betrieb aufgenommen. Es ist noch nicht darauf ausgelegt, eine Reaktion hervorzurufen - es wird nur ein spezielles Design getestet (ein Stellarator anstelle eines Tokamaks).

hochenergetisches Plasma

Alle thermonuklearen Anlagen haben ein gemeinsames Merkmal - eine ringförmige Form. Es basiert auf der Idee, mit starken Elektromagneten ein starkes elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das wie ein Torus geformt ist - ein aufgeblasener Fahrradschlauch.

Dieses elektromagnetische Feld muss so dicht sein, dass, wenn es in einem Mikrowellenherd auf eine Million Grad Celsius erhitzt wird, im Zentrum des Rings ein Plasma entstehen muss. Anschließend wird es gezündet, damit die thermonukleare Fusion beginnen kann.

Demonstration von Möglichkeiten

Zwei solcher Experimente laufen derzeit in Europa. Eines davon ist Wendelstein 7-X, das kürzlich sein erstes Heliumplasma erzeugt hat. Das andere ist ITER, eine riesige experimentelle Fusionsanlage in Südfrankreich, die sich noch im Bau befindet und 2023 betriebsbereit sein wird.

Es wird erwartet, dass bei ITER echte Kernreaktionen stattfinden, wenn auch nur für kurze Zeit und sicherlich nicht länger als 60 Minuten. Dieser Reaktor ist nur einer von vielen Schritten auf dem Weg zur Verwirklichung der Kernfusion.

Fusionsreaktor: kleiner und leistungsfähiger

Vor kurzem haben mehrere Designer ein neues Reaktordesign angekündigt. Laut einer Gruppe von Studenten des Massachusetts Institute of Technology sowie Vertretern der Waffenfirma Lockheed Martin kann die Fusion in Anlagen durchgeführt werden, die viel leistungsstärker und kleiner als ITER sind, und sie sind innerhalb von zehn Jahren dazu bereit Jahre.

Die Idee des neuen Designs ist es, in Elektromagneten moderne Hochtemperatur-Supraleiter einzusetzen, die ihre Eigenschaften bei Kühlung mit flüssigem Stickstoff zeigen, statt herkömmliche, die flüssiges Helium benötigen. Die neue, flexiblere Technologie wird es ermöglichen, das Design des Reaktors komplett zu verändern.

Klaus Hesch, Leiter der Kernfusionstechnik am Karlsruher Institut für Technologie im Südwesten Deutschlands, ist skeptisch. Es unterstützt die Verwendung neuer Hochtemperatur-Supraleiter für neue Reaktordesigns. Ihm zufolge reicht es jedoch nicht aus, etwas am Computer unter Berücksichtigung der Gesetze der Physik zu entwickeln. Es gilt, die Herausforderungen zu berücksichtigen, die sich bei der Umsetzung einer Idee ergeben.

Science-Fiction

Laut Hesh zeigt das MIT-Studentenmodell nur die Möglichkeit eines Projekts. Aber es ist eigentlich eine Menge Science-Fiction. Das Projekt geht davon aus, dass ernsthafte technische Probleme der thermonuklearen Fusion gelöst werden. Aber die moderne Wissenschaft hat keine Ahnung, wie man sie löst.

Ein solches Problem ist die Idee von zusammenklappbaren Spulen. Elektromagnete können zerlegt werden, um in den Ring zu gelangen, der das Plasma im MIT-Designmodell hält.

Dies wäre sehr nützlich, da man auf Objekte im internen System zugreifen und diese ersetzen könnte. Aber in Wirklichkeit bestehen Supraleiter aus keramischem Material. Hunderte von ihnen müssen auf raffinierte Weise miteinander verflochten werden, um das richtige Magnetfeld zu bilden. Und hier gibt es grundlegendere Schwierigkeiten: Die Verbindungen zwischen ihnen sind nicht so einfach wie die Verbindungen von Kupferkabeln. Niemand hat auch nur an Konzepte gedacht, die helfen würden, solche Probleme zu lösen.

zu heiß

Hohe Temperatur ist auch ein Problem. Im Kern des Fusionsplasmas wird die Temperatur etwa 150 Millionen Grad Celsius erreichen. Diese extreme Hitze bleibt bestehen – genau im Zentrum des ionisierten Gases. Aber auch um ihn herum ist es noch sehr heiß - 500 bis 700 Grad in der Reaktorzone, das ist die innere Schicht eines Metallrohrs, in dem sich das für die Kernfusion notwendige Tritium "reproduzieren" wird.

Der Fusionsreaktor hat ein noch größeres Problem – die sogenannte Leistungsfreisetzung. Dies ist der Teil des Systems, der gebrauchten Brennstoff aus dem Fusionsprozess erhält, hauptsächlich Helium. Die ersten Metallteile, in die das heiße Gas eintritt, werden als „Divertor“ bezeichnet. Es kann sich auf über 2000°C erhitzen.

Umlenkerproblem

Damit die Installation solchen Temperaturen standhält, versuchen Ingenieure, das Metall Wolfram zu verwenden, das in altmodischen Glühlampen verwendet wird. Der Schmelzpunkt von Wolfram liegt bei etwa 3000 Grad. Aber es gibt auch andere Einschränkungen.

In ITER ist dies möglich, da darin nicht ständig geheizt wird. Es wird angenommen, dass der Reaktor nur 1–3 % der Zeit betrieben wird. Aber das ist keine Option für ein Kraftwerk, das rund um die Uhr laufen muss. Und wenn jemand behauptet, einen kleineren Reaktor mit der gleichen Leistung wie ITER bauen zu können, kann man mit Sicherheit sagen, dass er keine Lösung für das Divertor-Problem hat.

Kraftwerk in wenigen Jahrzehnten

Dennoch sind Wissenschaftler optimistisch, was die Entwicklung thermonuklearer Reaktoren betrifft, obwohl sie nicht so schnell sein wird, wie einige Enthusiasten vorhersagen.

ITER soll zeigen, dass kontrollierte Fusion tatsächlich mehr Energie erzeugen kann, als für die Erwärmung des Plasmas aufgewendet werden müsste. Der nächste Schritt ist der Bau eines brandneuen Hybrid-Demonstrationskraftwerks, das tatsächlich Strom erzeugt.

Ingenieure arbeiten bereits an seinem Design. Sie werden von ITER lernen müssen, der 2023 starten soll. Angesichts der Zeit, die für Design, Planung und Bau benötigt wird, erscheint es unwahrscheinlich, dass das erste Fusionskraftwerk viel früher als Mitte des 21. Jahrhunderts in Betrieb genommen wird.

Kalte Fusion Rossi

Im Jahr 2014 kam ein unabhängiger Test des E-Cat-Reaktors zu dem Schluss, dass das Gerät über einen Zeitraum von 32 Tagen bei einem Verbrauch von 900 Watt eine durchschnittliche Ausgangsleistung von 2.800 Watt erzielte. Das ist mehr, als jede chemische Reaktion isolieren kann. Das Ergebnis spricht entweder für einen Durchbruch in der thermonuklearen Fusion oder für regelrechten Betrug. Der Bericht enttäuscht Skeptiker, die bezweifeln, dass der Test wirklich unabhängig war, und eine mögliche Verfälschung der Testergebnisse vermuten lassen. Andere waren damit beschäftigt, die „geheimen Zutaten“ herauszufinden, die es Rossis Fusion ermöglichen, die Technologie zu replizieren.

Rossi ist ein Betrüger?

Andrea ist imposant. Er veröffentlicht Proklamationen an die Welt in einzigartigem Englisch im Kommentarbereich seiner Website, die den anmaßenden Namen Journal of Nuclear Physics trägt. Zu seinen früheren gescheiterten Versuchen gehörten jedoch ein italienisches Waste-to-Fuel-Projekt und ein thermoelektrischer Generator. Petroldragon, ein Waste-to-Energy-Projekt, scheiterte unter anderem daran, dass die illegale Mülldeponierung von der italienischen organisierten Kriminalität kontrolliert wird, die Strafanzeige wegen Verstoßes gegen Abfallwirtschaftsvorschriften erstattet hat. Er schuf auch ein thermoelektrisches Gerät für das US Army Corps of Engineers, aber während der Tests erzeugte das Gerät nur einen Bruchteil der angegebenen Leistung.

Viele vertrauen Rossi nicht, und der Chefredakteur der New Energy Times nannte ihn unverblümt einen Kriminellen mit einer Reihe gescheiterter Energieprojekte hinter sich.

Unabhängige Überprüfung

Rossi unterzeichnete einen Vertrag mit der amerikanischen Firma Industrial Heat, um einen einjährigen geheimen Test einer 1-MW-Kaltfusionsanlage durchzuführen. Das Gerät war ein Schiffscontainer, der mit Dutzenden von E-Cats gefüllt war. Das Experiment musste von einem Dritten kontrolliert werden, der bestätigen konnte, dass tatsächlich Wärme erzeugt wurde. Rossi behauptet, einen Großteil des vergangenen Jahres praktisch in einem Container gelebt und den Betrieb mehr als 16 Stunden am Tag überwacht zu haben, um die kommerzielle Rentabilität des E-Cat zu beweisen.

Der Test endete im März. Gespannt warteten Rossis Anhänger auf den Bericht der Beobachter und hofften auf einen Freispruch für ihren Helden. Aber am Ende wurden sie verklagt.

Studie

In einer Gerichtsakte in Florida behauptet Rossi, der Test sei erfolgreich gewesen, und ein unabhängiger Schiedsrichter bestätigte, dass der E-Cat-Reaktor sechsmal mehr Energie produziert, als er verbraucht. Er behauptete auch, Industrial Heat habe zugestimmt, ihm 100 Millionen Dollar zu zahlen – 11,5 Millionen Dollar im Voraus nach dem 24-Stunden-Test (angeblich für Lizenzrechte, damit das Unternehmen die Technologie in den USA verkaufen kann) und weitere 89 Millionen Dollar nach dem erfolgreichen Abschluss des erweiterten Tests .innerhalb von 350 Tagen. Rossi beschuldigte IH, ein „betrügerisches Schema“ betrieben zu haben, um sein geistiges Eigentum zu stehlen. Er beschuldigte das Unternehmen auch, E-Cat-Reaktoren missbraucht, innovative Technologien und Produkte, Funktionalität und Designs illegal kopiert und ein Patent auf sein geistiges Eigentum missbraucht zu haben.

Goldmine

An anderer Stelle behauptet Rossi, dass IH bei einer seiner Demonstrationen 50 bis 60 Millionen Dollar von Investoren und weitere 200 Millionen Dollar von China erhalten habe, nach einer Wiederholung, an der hochrangige chinesische Beamte beteiligt waren. Wenn das stimmt, dann stehen weit mehr als hundert Millionen Dollar auf dem Spiel. Industrial Heat hat diese Behauptungen als unbegründet zurückgewiesen und wird sich aktiv dagegen wehren. Noch wichtiger ist, dass sie behauptet, dass sie "mehr als drei Jahre daran gearbeitet hat, die Ergebnisse zu bestätigen, die Rossi angeblich mit seiner E-Cat-Technologie erzielt hat, alles ohne Erfolg."

IH glaubt nicht an den E-Cat, und die New Energy Times sieht keinen Grund, daran zu zweifeln. Im Juni 2011 besuchte ein Vertreter der Publikation Italien, interviewte Rossi und filmte eine Vorführung seines E-Cat. Einen Tag später berichtete er über seine ernsthaften Bedenken hinsichtlich der Methode zur Messung der Wärmeleistung. Nach 6 Tagen hat der Journalist sein Video auf YouTube gepostet. Experten aus aller Welt schickten ihm Analysen, die im Juli veröffentlicht wurden. Es wurde klar, dass dies ein Betrug war.

Experimentelle Bestätigung

Dennoch ist es einer Reihe von Forschern – Alexander Parkhomov von der Peoples' Friendship University of Russia und dem Martin Fleishman Memorial Project (MFPM) – gelungen, die kalte Fusion Russlands zu replizieren. Der MFPM-Bericht trug den Titel „Das Ende des Kohlenstoffzeitalters ist nahe“. Der Grund für diese Bewunderung war die Entdeckung eines Ausbruchs von Gammastrahlung, der nicht anders als durch eine thermonukleare Reaktion erklärt werden kann. Laut den Forschern hat Rossi genau das, wovon er spricht.

Ein praktikables offenes Rezept für kalte Fusion könnte einen Energie-Goldrausch auslösen. Es könnten alternative Methoden gefunden werden, um Rossis Patente zu umgehen und ihn aus dem milliardenschweren Energiegeschäft herauszuhalten.

Vielleicht möchte Rossi diese Bestätigung also lieber vermeiden.

3. Probleme der kontrollierten thermonuklearen Fusion

Forscher in allen entwickelten Ländern hoffen darauf, die kommende Energiekrise mit einer kontrollierten thermonuklearen Reaktion zu überwinden. Eine solche Reaktion, die Synthese von Helium aus Deuterium und Tritium, findet auf der Sonne seit Millionen von Jahren statt, und unter irdischen Bedingungen wird seit fünfzig Jahren versucht, sie in riesigen und sehr teuren Laseranlagen, Tokamaks, durchzuführen (ein Gerät zur Durchführung einer thermonuklearen Fusionsreaktion in heißem Plasma) und Stellaratoren (geschlossene Magnetfalle zur Aufnahme von Hochtemperaturplasma). Es gibt jedoch andere Möglichkeiten, dieses schwierige Problem zu lösen, und anstelle riesiger Tokamaks wird es wahrscheinlich möglich sein, einen ziemlich kompakten und kostengünstigen Collider - einen Beschleuniger auf kollidierenden Strahlen - für die Implementierung der thermonuklearen Fusion zu verwenden.

Tokamak benötigt zum Betrieb sehr geringe Mengen an Lithium und Deuterium. Beispielsweise verbrennt ein Reaktor mit einer elektrischen Leistung von 1 GW etwa 100 kg Deuterium und 300 kg Lithium pro Jahr. Wenn wir davon ausgehen, dass alle thermonuklearen Kraftwerke 10 Billionen produzieren werden. kW/h Strom pro Jahr, also so viel, wie alle Kraftwerke der Erde heute produzieren, dann reichen die Weltreserven an Deuterium und Lithium aus, um die Menschheit für viele Millionen Jahre mit Energie zu versorgen.

Neben der Fusion von Deuterium und Lithium ist auch eine rein solare Fusion möglich, wenn zwei Deuteriumatome kombiniert werden. Wenn diese Reaktion beherrscht wird, werden Energieprobleme sofort und für immer gelöst.

Bei allen bekannten Varianten der kontrollierten thermonuklearen Fusion (CTF) können thermonukleare Reaktionen nicht in den Modus der unkontrollierten Leistungssteigerung eintreten, daher sind solche Reaktoren nicht eigensicher.

Aus physikalischer Sicht ist das Problem einfach formuliert. Damit eine sich selbst erhaltende Kernfusionsreaktion auftritt, ist es notwendig und ausreichend, zwei Bedingungen zu erfüllen.

1. Die Energie der an der Reaktion beteiligten Kerne muss mindestens 10 keV betragen. Damit die Kernfusion beginnt, müssen die an der Reaktion beteiligten Kerne in das Feld der Kernkräfte fallen, dessen Radius 10-12-10-13 s.cm beträgt. Atomkerne haben jedoch eine positive elektrische Ladung, und gleiche Ladungen stoßen sich ab. An der Wirkungsgrenze der Kernkräfte beträgt die Energie der Coulomb-Abstoßung etwa 10 keV. Um diese Barriere zu überwinden, müssen die Kerne bei der Kollision eine kinetische Energie von mindestens nicht weniger als diesem Wert haben.

2. Das Produkt aus der Konzentration der reagierenden Kerne und der Retentionszeit, während der sie die angegebene Energie beibehalten, muss mindestens 1014 s.cm-3 betragen. Diese Bedingung – das sogenannte Lawson-Kriterium – bestimmt die Grenze der energetischen Rentabilität der Reaktion. Damit die bei der Fusionsreaktion freigesetzte Energie zumindest die Energiekosten für die Initiierung der Reaktion deckt, müssen Atomkerne viele Kollisionen überstehen. Bei jedem Stoß, bei dem es zu einer Fusionsreaktion zwischen Deuterium (D) und Tritium (T) kommt, werden 17,6 MeV Energie freigesetzt, also etwa 3,10-12 J. Werden beispielsweise 10 MJ Energie für die Zündung aufgewendet, so wird die Die Reaktion wird ausgeglichen, wenn mindestens 3,1018 D-T-Paare daran teilnehmen. Und dafür muss ein ziemlich dichtes Hochenergieplasma lange Zeit im Reaktor gehalten werden. Diese Bedingung wird durch das Lawson-Kriterium ausgedrückt.

Wenn beide Anforderungen gleichzeitig erfüllt werden können, ist das Problem der kontrollierten thermonuklearen Fusion gelöst.

Die technische Umsetzung dieses physikalischen Problems stößt jedoch auf enorme Schwierigkeiten. Schließlich entspricht eine Energie von 10 keV einer Temperatur von 100 Millionen Grad. Eine Substanz auf einer solchen Temperatur kann sogar nur für Sekundenbruchteile im Vakuum gehalten werden, indem man sie von den Wänden der Anlage isoliert.

Aber es gibt eine andere Methode, um dieses Problem zu lösen - eine kalte Fusion. Was ist eine kalte Fusion - dies ist ein Analogon einer "heißen" thermonuklearen Reaktion, die bei Raumtemperatur stattfindet.

In der Natur gibt es mindestens zwei Möglichkeiten, Materie innerhalb einer Dimension des Kontinuums zu verändern. Sie können Wasser auf Feuer kochen, d.h. thermisch, oder in einem Mikrowellenherd, d.h. Frequenz. Das Ergebnis ist das gleiche - das Wasser kocht, der einzige Unterschied besteht darin, dass die Frequenzmethode schneller ist. Es nutzt auch das Erreichen einer ultrahohen Temperatur, um den Kern des Atoms zu spalten. Das thermische Verfahren ergibt eine unkontrollierte Kernreaktion. Die Energie einer kalten Fusion ist die Energie des Übergangszustands. Eine der Hauptbedingungen für die Konstruktion eines Reaktors zur Durchführung einer Kaltfusionsreaktion ist die Bedingung seiner pyramidal-kristallinen Form. Eine weitere wichtige Bedingung ist das Vorhandensein rotierender Magnet- und Torsionsfelder. Der Schnittpunkt der Felder erfolgt am Punkt des instabilen Gleichgewichts des Wasserstoffkerns.

Wissenschaftler Ruzi Taleiarkhan vom Oak Ridge National Laboratory, Richard Leikhi von der Polytechnic University. Renssilira und Akademiker Robert Nigmatulin – zeichneten im Labor eine kalte thermonukleare Reaktion auf.

Die Gruppe verwendete einen Becher mit flüssigem Aceton in der Größe von zwei bis drei Gläsern. Schallwellen wurden intensiv durch die Flüssigkeit geleitet und erzeugten einen Effekt, der in der Physik als akustische Kavitation bekannt ist und dessen Folge Sonolumineszenz ist. Während der Kavitation entstanden in der Flüssigkeit kleine Bläschen, die auf zwei Millimeter Durchmesser anwuchsen und explodierten. Explosionen wurden von Lichtblitzen und der Freisetzung von Energie begleitet, d.h. Die Temperatur in den Blasen erreichte zum Zeitpunkt der Explosion 10 Millionen Grad Kelvin, und die freigesetzte Energie reicht nach Angaben der Experimentatoren aus, um eine thermonukleare Fusion durchzuführen.

"Technisch" liegt die Essenz der Reaktion darin, dass durch die Kombination von zwei Deuteriumatomen ein drittes gebildet wird - ein Wasserstoffisotop, bekannt als Tritium, und ein Neutron, das sich durch eine enorme Energiemenge auszeichnet .

Der Strom im supraleitenden Zustand ist Null, und daher wird die minimale Menge an Elektrizität für die Aufrechterhaltung des Magnetfelds aufgewendet. 8. Superschnelle Systeme. Kontrollierte thermonukleare Fusion mit Trägheitseinschluss Die mit dem magnetischen Einschluss von Plasma verbundenen Schwierigkeiten können im Prinzip umgangen werden, wenn Kernbrennstoff in extrem kurzen Zeiten verbrannt wird, wenn...

Für 2004 . Die nächsten Verhandlungen zu diesem Projekt finden im Mai 2004 in Wien statt. Der Reaktor wird 2006 gebaut und soll 2014 in Betrieb gehen. Wie es funktioniert Fusion* ist eine kostengünstige und umweltfreundliche Art der Energieerzeugung. Seit Milliarden von Jahren findet auf der Sonne eine unkontrollierte thermonukleare Fusion statt – Helium entsteht aus dem schweren Isotop des Wasserstoffs Deuterium. Dabei...

Der experimentelle thermonukleare Reaktor wird von E. P. Velikhov geleitet. Die Vereinigten Staaten, die 15 Milliarden Dollar ausgegeben hatten, zogen sich aus diesem Projekt zurück, die restlichen 15 Milliarden wurden bereits von internationalen wissenschaftlichen Organisationen ausgegeben. 2. Technische, ökologische und medizinische Probleme. Beim Betrieb von Anlagen zur kontrollierten thermonuklearen Fusion (UTF). Neutronenstrahlen und Gammastrahlung entstehen, sowie...

Energie und welche Qualität wird benötigt, damit die freigesetzte Energie ausreicht, um die Kosten für den Start des Energiefreisetzungsprozesses zu decken. Wir werden diese Frage weiter unten im Zusammenhang mit den Problemen der thermonuklearen Fusion diskutieren. Zur Energiequalität von Lasern Im einfachsten Fall sind die Grenzen der Umwandlung von Energie geringer Qualität in Energie hoher Qualität offensichtlich. Hier einige Beispiele aus...

1. Einleitung

3. Probleme der Kernfusionskontrolle

3.1 Wirtschaftliche Probleme

3.2 Medizinische Probleme

4. Fazit

5. Referenzen

1. Einleitung

Das Problem der kontrollierten thermonuklearen Fusion ist eine der wichtigsten Aufgaben der Menschheit.

Die menschliche Zivilisation kann ohne Energie nicht existieren, geschweige denn sich entwickeln. Jeder ist sich bewusst, dass die erschlossenen Energiequellen leider bald erschöpft sein können. Nach Angaben des World Energy Council bleiben die erkundeten Reserven an Kohlenwasserstoffbrennstoffen auf der Erde 30 Jahre lang erhalten.

Heute sind die Hauptenergiequellen Öl, Gas und Kohle.

Experten zufolge gehen die Reserven dieser Mineralien zur Neige. Es gibt fast keine erkundeten, für die Erschließung geeigneten Ölfelder mehr, und bereits unsere Enkelkinder könnten mit einem sehr ernsten Problem des Energiemangels konfrontiert sein.

Atomkraftwerke, die am besten mit Brennstoff versorgt sind, könnten die Menschheit natürlich mehr als hundert Jahre lang mit Strom versorgen.

Studienobjekt: Probleme der kontrollierten thermonuklearen Fusion.

Gegenstand der Studie: Kernfusion.

Zweck der Studie: Lösen Sie das Problem der thermonuklearen Fusionskontrolle;

Forschungsschwerpunkte:

· Arten von thermonuklearen Reaktionen zu untersuchen.

· Betrachten Sie alle Möglichkeiten, die bei einer thermonuklearen Reaktion freigesetzte Energie zu einem Menschen zu bringen.

· Stellen Sie eine Theorie über die Umwandlung von Energie in Elektrizität vor.

Anfangsfakt:

Beim Zerfall oder Verschmelzen von Atomkernen wird Kernenergie freigesetzt. Jede Energie – physikalische, chemische oder nukleare – manifestiert sich in ihrer Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, Wärme oder Strahlung auszustrahlen. Energie bleibt in jedem System immer erhalten, kann aber auf ein anderes System übertragen oder in ihrer Form verändert werden.

Leistung Bedingungen der kontrollierten thermonuklearen Fusion werden durch mehrere Hauptprobleme behindert:

· Zuerst müssen Sie das Gas auf eine sehr hohe Temperatur erhitzen.

· Zweitens ist es notwendig, die Anzahl der reagierenden Kerne ausreichend lange zu kontrollieren.

· Drittens muss die freigesetzte Energiemenge größer sein als für die Erwärmung und Dichtebegrenzung des Gases aufgewendet wurde.

Das nächste Problem ist die Akkumulation dieser Energie und ihre Umwandlung in Strom

2. Thermonukleare Reaktionen auf der Sonne

Was ist die Quelle der Sonnenenergie? Welcher Art sind die Prozesse, bei denen Unmengen an Energie erzeugt werden? Wie lange wird die Sonne noch scheinen?

Die ersten Versuche, diese Fragen zu beantworten, wurden Mitte des 19. Jahrhunderts von Astronomen unternommen, nachdem die Physiker den Energieerhaltungssatz formuliert hatten.

Robert Mayer schlug vor, dass die Sonne aufgrund des ständigen Beschusses der Oberfläche durch Meteoriten und Meteorpartikel scheint. Diese Hypothese wurde verworfen, da eine einfache Rechnung zeigt, dass, um die Leuchtkraft der Sonne auf dem aktuellen Niveau zu halten, jede Sekunde 2∙10 15 kg meteorischer Materie auf sie fallen müssen. Für ein Jahr werden es 6∙10 22 kg sein und für die Lebensdauer der Sonne für 5 Milliarden Jahre - 3∙10 32 kg. Sonnenmasse M

= 2∙10 30 kg, also hätte in fünf Milliarden Jahren 150-mal mehr Materie als die Sonnenmasse auf die Sonne fallen sollen.

Die zweite Hypothese wurde ebenfalls Mitte des 19. Jahrhunderts von Helmholtz und Kelvin aufgestellt. Sie schlugen vor, dass die Sonne strahlt, indem sie sich jährlich um 60–70 Meter zusammenzieht. Der Grund für die Kontraktion ist die gegenseitige Anziehung der Sonnenteilchen, weshalb diese Hypothese Kontraktion genannt wird. Wenn wir nach dieser Hypothese rechnen, wird das Alter der Sonne nicht mehr als 20 Millionen Jahre betragen, was modernen Daten widerspricht, die aus der Analyse des radioaktiven Zerfalls von Elementen in geologischen Proben des Erdbodens und des Mondbodens gewonnen wurden .

Die dritte Hypothese über die möglichen Quellen der Sonnenenergie wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von James Jeans aufgestellt. Er schlug vor, dass die Tiefen der Sonne schwere radioaktive Elemente enthalten, die spontan zerfallen, während Energie emittiert wird. Beispielsweise geht die Umwandlung von Uran in Thorium und dann in Blei mit der Freisetzung von Energie einher. Die anschließende Analyse dieser Hypothese zeigte auch ihr Scheitern; Ein Stern, der nur aus Uran besteht, würde nicht genug Energie freisetzen, um die beobachtete Leuchtkraft der Sonne bereitzustellen. Außerdem gibt es Sterne, die um ein Vielfaches leuchtender sind als unser Stern. Es ist unwahrscheinlich, dass diese Sterne auch mehr radioaktives Material enthalten würden.

Als wahrscheinlichste Hypothese erwies sich die Hypothese der Synthese von Elementen infolge von Kernreaktionen im Inneren von Sternen.

1935 stellte Hans Bethe die Hypothese auf, dass die thermonukleare Reaktion der Umwandlung von Wasserstoff in Helium die Quelle der Sonnenenergie sein könnte. Dafür erhielt Bethe 1967 den Nobelpreis.

Die chemische Zusammensetzung der Sonne entspricht in etwa der der meisten anderen Sterne. Etwa 75 % bestehen aus Wasserstoff, 25 % aus Helium und weniger als 1 % aus allen anderen chemischen Elementen (hauptsächlich Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff usw.). Unmittelbar nach der Geburt des Universums gab es überhaupt keine "schweren" Elemente. Alle, d.h. Elemente, die schwerer als Helium sind, und sogar viele Alpha-Teilchen, wurden während des "Verbrennens" von Wasserstoff in Sternen während der thermonuklearen Fusion gebildet. Die charakteristische Lebensdauer eines Sterns wie der Sonne beträgt zehn Milliarden Jahre.

Die Hauptenergiequelle ist der Proton-Proton-Zyklus - eine sehr langsame Reaktion (charakteristische Zeit 7,9∙10 9 Jahre), da sie auf eine schwache Wechselwirkung zurückzuführen ist. Sein Wesen liegt darin, dass aus vier Protonen ein Heliumkern entsteht. Dabei werden ein Paar Positronen und ein Paar Neutrinos sowie 26,7 MeV Energie freigesetzt. Die Anzahl der von der Sonne pro Sekunde emittierten Neutrinos wird nur durch die Leuchtkraft der Sonne bestimmt. Da bei der Freisetzung von 26,7 MeV 2 Neutrinos geboren werden, beträgt die Neutrino-Emissionsrate: 1,8∙10 38 Neutrinos/s. Ein direkter Test dieser Theorie ist die Beobachtung solarer Neutrinos. Hochenergetische Neutrinos (Bor) werden in Chlor-Argon-Experimenten (Davis-Experimente) erfasst und zeigen durchweg einen Mangel an Neutrinos im Vergleich zum theoretischen Wert für das Standard-Sonnenmodell. Niederenergetische Neutrinos, die direkt in der pp-Reaktion entstehen, werden in Gallium-Germanium-Experimenten (GALLEX bei Gran Sasso (Italien-Deutschland) und SAGE bei Baksan (Russland-USA)) aufgezeichnet; sie sind auch "fehlend".

Wenn Neutrinos eine andere Ruhemasse als Null haben, sind nach einigen Annahmen Oszillationen (Umwandlungen) verschiedener Arten von Neutrinos möglich (Mikheev-Smirnov-Wolfenstein-Effekt) (es gibt drei Arten von Neutrinos: Elektron-, Myon- und Tauon-Neutrinos). . weil Da andere Neutrinos viel kleinere Wechselwirkungsquerschnitte mit Materie haben als Elektronen, lässt sich das beobachtete Defizit erklären, ohne das Standardmodell der Sonne zu ändern, das auf der Grundlage des gesamten Satzes astronomischer Daten erstellt wurde.

Jede Sekunde recycelt die Sonne etwa 600 Millionen Tonnen Wasserstoff. Die Vorräte an Kernbrennstoff reichen noch fünf Milliarden Jahre, danach wird er sich allmählich in einen Weißen Zwerg verwandeln.

Die zentralen Teile der Sonne werden schrumpfen, sich erwärmen, und die auf die äußere Hülle übertragene Wärme wird zu ihrer Ausdehnung auf monströse Größen im Vergleich zu modernen führen: Die Sonne wird sich so stark ausdehnen, dass sie Merkur und Venus absorbiert und ausgibt " Kraftstoff" hundertmal schneller als bisher. Dadurch wird die Sonne größer; unser Stern wird ein roter Riese, dessen Größe mit der Entfernung von der Erde zur Sonne vergleichbar ist!

Natürlich werden wir über ein solches Ereignis im Voraus benachrichtigt, da der Übergang in eine neue Phase ungefähr 100 bis 200 Millionen Jahre dauern wird. Wenn die Temperatur des zentralen Teils der Sonne 100.000.000 K erreicht, beginnt auch Helium zu brennen und verwandelt sich in schwere Elemente, und die Sonne tritt in ein Stadium komplexer Kontraktions- und Expansionszyklen ein. In der letzten Phase wird unser Stern seine äußere Hülle verlieren, der zentrale Kern wird eine unglaublich große Dichte und Größe haben, wie die der Erde. Ein paar weitere Milliarden Jahre werden vergehen, und die Sonne wird abkühlen und sich in einen weißen Zwerg verwandeln.

3. Probleme der kontrollierten thermonuklearen Fusion

MINISTERIUM FÜR BILDUNG UND WISSENSCHAFT DER RUSSISCHEN FÖDERATION

Bundesamt für Bildung

SEI HPE „Staatliche Pädagogische Universität Blagoweschtschensk“

Fakultät für Physik und Mathematik

Institut für Allgemeine Physik

Kursarbeit

zum Thema: Probleme der thermonuklearen Fusion

Fach: Physik

Künstler: V.S. Kletchenko

Leiter: V.A. Evdokimova

Blagoweschtschensk 2010

Einführung

Thermonukleare Reaktionen und ihre Energieeffizienz

Bedingungen für das Auftreten thermonuklearer Reaktionen

Realisierung thermonuklearer Reaktionen unter terrestrischen Bedingungen

Die Hauptprobleme im Zusammenhang mit der Durchführung von thermonuklearen Reaktionen

Implementierung kontrollierter thermonuklearer Reaktionen in TOKAMAK-Anlagen

ITER-Projekt

Moderne Untersuchungen von Plasma- und thermonuklearen Reaktionen

Fazit

Literatur

Einführung

Derzeit kann sich die Menschheit ein Leben ohne Strom nicht vorstellen. Sie ist überall. Aber traditionelle Methoden der Stromerzeugung sind nicht billig: Stellen Sie sich nur den Bau eines Wasserkraftwerks oder eines Kernkraftwerksreaktors vor, es wird sofort klar, warum. Wissenschaftler fanden im 20. Jahrhundert angesichts einer Energiekrise einen Weg, Strom aus Materie zu erzeugen, deren Menge nicht begrenzt ist. Beim Zerfall von Deuterium und Tritium finden thermonukleare Reaktionen statt. Ein Liter Wasser enthält so viel Deuterium, dass die Kernfusion so viel Energie freisetzen kann, wie durch die Verbrennung von 350 Litern Benzin gewonnen wird. Das heißt, wir können schlussfolgern, dass Wasser eine unbegrenzte Energiequelle ist.

Wenn die Energiegewinnung mit Hilfe der thermonuklearen Fusion so einfach wäre wie mit Hilfe von Wasserkraftwerken, dann würde die Menschheit niemals eine Krise im Energiesektor erleben. Um auf diese Weise Energie zu gewinnen, wird eine Temperatur benötigt, die der Temperatur im Zentrum der Sonne entspricht. Woher bekommt man eine solche Temperatur, wie teuer sind die Anlagen, wie rentabel ist eine solche Energieerzeugung und ist eine solche Anlage sicher? Diese Fragen werden in der vorliegenden Arbeit beantwortet.

Zweck der Arbeit: Untersuchung der Eigenschaften und Probleme der thermonuklearen Fusion.

Thermonukleare Reaktionen und ihre Energieeffizienz

Thermonukleare Reaktion - die Synthese von schwereren Atomkernen aus leichteren, um Energie zu gewinnen, die kontrolliert wird.

Es ist bekannt, dass der Kern des Wasserstoffatoms ein Proton p ist. In der Natur gibt es viel solchen Wasserstoff - in der Luft und im Wasser. Außerdem gibt es schwerere Wasserstoffisotope. Der Kern eines von ihnen enthält neben dem Proton p auch das Neutron n. Dieses Isotop heißt Deuterium D. Der Kern eines anderen Isotops enthält außer dem Proton ð zwei Neutronen n und heißt Tritherium (Tritium) Ò die bei der Spaltung schwerer Kerne freigesetzte Energie. Bei der Fusionsreaktion wird Energie freigesetzt, die pro 1 kg Substanz viel größer ist als die Energie, die bei der Uranspaltungsreaktion freigesetzt wird. (Hier bezieht sich die freigesetzte Energie auf die kinetische Energie der Teilchen, die als Ergebnis der Reaktion gebildet werden.) Beispielsweise bei der Reaktion der Fusion von Deuterium 1 2 D- und Tritium 1 3 T-Kernen zu einem Heliumkern 2 4 He :

1 2 D + 1 3 T → 2 4 He + 0 1 n,

Die freigesetzte Energie beträgt etwa 3,5 MeV pro Nukleon. Bei Spaltungsreaktionen beträgt die Energie pro Nukleon etwa 1 MeV.

Bei der Synthese eines Heliumkerns aus vier Protonen:

4 1 1 p→ 2 4 Nicht + 2 +1 1 e,

sogar noch mehr Energie wird freigesetzt, gleich 6,7 MeV pro Teilchen. Der Energievorteil thermonuklearer Reaktionen erklärt sich dadurch, dass die spezifische Bindungsenergie im Kern eines Heliumatoms die spezifische Bindungsenergie der Kerne von Wasserstoffisotopen deutlich übersteigt. Mit der erfolgreichen Umsetzung kontrollierter thermonuklearer Reaktionen wird die Menschheit also eine neue mächtige Energiequelle erhalten.

Bedingungen für das Auftreten thermonuklearer Reaktionen

Für die Fusion leichter Kerne ist es notwendig, die Potentialbarriere zu überwinden, die durch die Coulomb-Abstoßung von Protonen in gleich positiv geladenen Kernen verursacht wird. Für die Fusion von Wasserstoffkernen 1 2 Dx ist es notwendig, sie näher an einen Abstand r zu bringen, der ungefähr gleich r ≈ 3 10 -15 m ist. Dazu müssen Sie Arbeit leisten, die der elektrostatischen potentiellen Energie der Abstoßung entspricht P \u003d e 2: (4πε 0 r) ≈ 0,1 MeV. Die Deuteronkerne können eine solche Barriere überwinden, wenn ihre durchschnittliche kinetische Energie 3/2 kT während des Stoßes gleich 0,1 MeV ist. Dies ist bei T = 2 · 10 9 K möglich. In der Praxis sinkt die für das Auftreten thermonuklearer Reaktionen erforderliche Temperatur um zwei Größenordnungen und beträgt 10 7 K.

Für den zentralen Teil der Sonne ist eine Temperatur von etwa 10 7 K typisch. Die Spektralanalyse zeigte, dass die Materie der Sonne, wie viele andere Sterne, bis zu 80 % Wasserstoff und etwa 20 % Helium enthält. Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff machen nicht mehr als 1 % der Masse der Sterne aus. Bei einer riesigen Masse der Sonne (≈ 2 10 27 kg) ist die Menge dieser Gase ziemlich groß.

Thermonukleare Reaktionen finden in der Sonne und den Sternen statt und sind die Energiequelle, die ihre Strahlung liefert. Jede Sekunde strahlt die Sonne eine Energie von 3,8 10 26 J ab, was einer Abnahme ihrer Masse um 4,3 Millionen Tonnen entspricht. Gezielte Freisetzung von Sonnenenergie, d.h. die Freisetzung von Energie pro Masseneinheit der Sonne in einer Sekunde ist gleich 1,9 10 -4 J/s kg. Sie ist sehr gering und beträgt etwa 10 -3 % der spezifischen Energiefreisetzung in einem lebenden Organismus im Stoffwechselprozess. Die Strahlungsleistung der Sonne hat sich in den vielen Milliarden Jahren des Bestehens des Sonnensystems nicht wesentlich verändert.

Einer der Wege für thermonukleare Reaktionen auf der Sonne ist der Kohlenstoff-Stickstoff-Zyklus, bei dem die Vereinigung von Wasserstoffkernen zu einem Heliumkern in Gegenwart von Kohlenstoff 6 12 C-Kernen erleichtert wird, die die Rolle von Katalysatoren spielen. Zu Beginn des Zyklus dringt ein schnelles Proton in den Kern des Kohlenstoffatoms 6 12 C ein und bildet mit γ-Quantenstrahlung einen instabilen Kern des Stickstoffisotops 7 13 N:

6 12 ' + 1 1 p → 7 13 N + γ.

Bei einer Halbwertszeit von 14 Minuten findet im 7 13 N-Kern die Umwandlung 1 1 p→ 0 1 n + +1 0 e + 0 0 ν e statt und es entsteht der Kern des 6 13 C-Isotops:

7 13 N → 6 13 ' + +1 0 e + 0 0 ν e.

Etwa alle 32 Millionen Jahre fängt der 7 14 N-Kern ein Proton ein und verwandelt sich in einen Sauerstoffkern 8 15 O:

7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 O + γ.

Ein instabiler 8 15 O-Kern mit einer Halbwertszeit von 3 Minuten emittiert ein Positron und ein Neutrino und verwandelt sich in einen 7 15 N-Kern:

8 15 О→ 7 15 N+ +1 0 e+ 0 0 ν e.

Der Zyklus endet mit der Reaktion der Absorption eines Protons durch den 7 15 N-Kern mit seinem Zerfall in einen Kohlenstoff 6 12 С-Kern und ein α-Teilchen. Dies geschieht nach etwa 100.000 Jahren:

7 15 N+ 1 1 p → 6 12 С + 2 4 He.

Mit der Aufnahme eines 6 12 C-Protons durch Kohlenstoff, das im Mittel nach 13 Millionen Jahren herauskommt, beginnt wieder ein neuer Zyklus. Die einzelnen Reaktionen des Zyklus sind zeitlich durch Intervalle getrennt, die für irdische Zeitskalen prohibitiv groß sind. Der Kreislauf ist jedoch geschlossen und läuft kontinuierlich ab. Daher laufen auf der Sonne verschiedene Reaktionen des Kreislaufs gleichzeitig ab und beginnen zu unterschiedlichen Zeiten.

Als Ergebnis dieses Zyklus verschmelzen vier Protonen zu einem Heliumkern unter dem Auftreten von zwei Positronen und γ-Strahlung. Dazu kommt noch die Strahlung, die bei der Fusion von Positronen mit Plasmaelektronen entsteht. Die Bildung eines Helium-Gammaatoms setzt 700.000 kWh Energie frei. Diese Energiemenge kompensiert den Verlust an Sonnenenergie für Strahlung. Berechnungen zeigen, dass die in der Sonne verfügbare Wasserstoffmenge ausreichen wird, um thermonukleare Reaktionen und Sonnenstrahlung für Milliarden von Jahren zu unterstützen.

Realisierung thermonuklearer Reaktionen unter terrestrischen Bedingungen

Die Umsetzung thermonuklearer Reaktionen unter irdischen Bedingungen wird enorme Möglichkeiten zur Energiegewinnung schaffen. Beispielsweise wird bei der Verwendung des in einem Liter Wasser enthaltenen Deuteriums bei einer Fusionsreaktion die gleiche Energiemenge freigesetzt wie bei der Verbrennung von etwa 350 Litern Benzin. Wenn die thermonukleare Reaktion jedoch spontan abläuft, kommt es zu einer kolossalen Explosion, da die in diesem Fall freigesetzte Energie sehr groß ist.

Bedingungen, die denen ähnlich sind, die im Inneren der Sonne realisiert werden, wurden in einer Wasserstoffbombe realisiert. Es gibt eine sich selbst erhaltende thermonukleare Reaktion explosiver Natur. Der Sprengstoff ist eine Mischung aus Deuterium 1 2 D mit Tritium 1 3 T. Die für den Ablauf der Reaktion erforderliche hohe Temperatur wird durch die Explosion einer herkömmlichen Atombombe erreicht, die in einer thermonuklearen Bombe angeordnet ist.

Die Hauptprobleme im Zusammenhang mit der Durchführung von thermonuklearen Reaktionen

In einem Fusionsreaktor muss die Fusionsreaktion langsam und kontrollierbar sein. Die Untersuchung von Reaktionen, die in Hochtemperatur-Deuteriumplasma ablaufen, ist die theoretische Grundlage für den Erhalt künstlich kontrollierter thermonuklearer Reaktionen. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, die Bedingungen aufrechtzuerhalten, die erforderlich sind, um eine sich selbst erhaltende thermonukleare Reaktion zu erhalten. Für eine solche Reaktion ist es erforderlich, dass die Geschwindigkeit der Energiefreisetzung in dem System, in dem die Reaktion stattfindet, nicht geringer ist als die Geschwindigkeit des Energieentzugs aus dem System. Bei Temperaturen in der Größenordnung von 10 8 K haben thermonukleare Reaktionen in einem Deuteriumplasma eine merkliche Intensität und werden von der Freisetzung großer Energie begleitet. In einer Plasmavolumeneinheit wird bei Kombination von Deuteriumkernen eine Leistung von 3 kW/m 3 freigesetzt. Bei Temperaturen in der Größenordnung von 10 6 K beträgt die Leistung nur 10 -17 W/m 3 .

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