Physikreferat über Kernfusion, techn. Probleme der

Physikreferat über Kernfusion, techn. Probleme der Kernfusion, Wasserstoffbombe und Vorgänge in Fixsternen

Kernfusion: (Stefan)

- Kernfusion ist das Gegenteil der Kernspaltung

- Fusion bedeutet das verschmelzen leichter Kerne zu schweren

- damit überhaupt eine Fusion zustande kommen kann, müssen die Teilchen
mit einer sehr hohen Geschwindigkeit aufeinander geschossen werden,
damit sie verschmelzen, um diese Geschwindigkeiten zu erreichen sind
Temperaturen von mehreren hundert Millionen Grad nötig, so dass die
Kernreaktionen mit einer ausreichenden Häufigkeit stattfinden

- so wird die Temperatur konstant gehalten, damit die Fusion selbsttragend
erfolgt und dem System Energie abgenommen werden kann

- die Energiegewinnung ist wesentlich höher als bei der Kernspaltung
(Tschernobil 1000MW Elektroenergie, Fusionsmodell 2500 MW
Elektroenergie)

- in erkennbarer Zukunft wird nur die Verschmelzung von Kernen der
Wasserstoffkerne
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Deuterium H und Tritium H zu Helium möglich sein.
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- trotzdem würde dies reichen, um den Energiebedarf der Erde über
Jahrhunderte zu sichern. Und dann wird man sicherlich die Fusion von reinem
Deuterium oder sogar von gewöhnlichem Wasserstoff beherrschen.

(Bild Isotope & Fusion) (Dennis)

(Simon)

Isotope: die zu einem chem. Element gehörenden Atome gleicher Kernladung, aber verschiedener Masse. Sie unterscheiden sich dadurch, dass ihre Atomkerne die gleiche Anzahl von Protonen, aber eine verschiedene Anzahl von Neutronen enthalten.

Deuterium (D): hat ein Proton und Neutron im Kern, ist deshalb schwerer als Wasserstoff und wird schwerer Wasserstoff genannt

Tritium (T): wird künstlich durch Beschuß von Lithium mit Neutronen hergestellt, besitzt 1 Proton und 2 Neutronen im Kern, der Kern ist deshalb instabil und wird überschwerer Wasserstoff genannt

- die freiwerdene Energie fällt hauptsächlich als kinetische Energie der
gebildeten Neutronen und Wärmeenergie an.

- z.B. der Heizwert von dem in einem Liter Wasser enthaltenem Deuterium
entspricht der Energie, die bei der Verbrennung von 100 Litern Erdöl
anfällt.

- diese Kernfusionen finden z.B. im Inneren der Sonne statt, die für uns
Sichtbare Strahlungsenergie wird aus diesem Vorgang gewonnen

(Dennis)

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- das Produkt muss mindestens 6 * 10 cm s nach dem Lawsonkriterium
betragen, damit sich eine Kernfusion (auch thermonukleare Reaktion
genannt) energetisch selbst tragen kann. Um die Fusionsenergie friedlich
nutzen zu können, müssen jedoch
- 14 - 3 - 1
höhere Werte von ca. 5 * 10 cm s angestrebt werden, damit ein
brauchbarer Energiegewinn zustande kommt.

- zur Erreichung dieser Ziele ist eine Beherrschung von extremen
Stoffzuständen notwendig, wie sie bisher nur aus kosmischen Verhältnissen
bekannt sind

techn. Probleme der Kernfusion:

- es gibt zwei Varianten, die als aussichtsreich gelten, um eine kontrollierte
Kernfusion durchzuführen:

1.) das Aufheizen einer Plasmaentladung unter magnetischer Halterung
2.) die Zündung von Brennstoffpillen mittels Laser - oder
Teilchenstrahlen bei Trägheitshaltung

(Stefan)
1.) Prinzip von Magnetfallen:

- die Grundidee dieser Variante besteht darin, das Plasma einer in
Mischungen von Deuterium und Tritium enthaltenen Gasenthaltung durch
Teilcheneinschuß auf höchste Temperaturen zu bringen

- das Plasma wird von den Gefäßwänden durch starke Magnetfelder isoliert.

- dies funktioniert, weil Ionen bzw. Elektronen des Plasma Magnetfeldlinien
ausreichender Stärke nicht kreuzen können. Deshalb umläuft das Plasma die
Feldlinien auf schraubenförmigen Bahnen

Plasma: Ein Gas, das aus freien Elektronen u. Ionen. Es kann kontrolliert auf extrem hohe Temperaturen gebracht werden. Bei diesen Temperaturen können Fusionsreaktionen ablaufen, die zu einer starken Energiefreisetzung führen

- bei den Magnetfallen unterscheidet man zwischen der linearen und der
toroidalen Anordnung:

bei der linearen Magnetfalle ist das spindelförmige Plasma durch die Magnetfeldlinien eingeschlossen, die sich an den Enden des Gefäßes verdichten. Auf diese Weise bilden sich an den Enden des Gefäßes magnetische Spiegel aus, die die ankommenden geladenen Teilchen reflektieren.

(Bild: Magnetfallen) (Simon)

- leider beträgt die Einschlußzeit nur einige Mikrosekunden, weil zu viele
Plasmateilchen durch die löchrigen Magnetspiegel entkommen können.

die ringförmig geschlossenen Plasmafallen erscheinen aussichtsreicher.

Von den verschiedenen Ausführungsformen hat sich der Tokamaktyp
durchgesetzt.

- das Plasma muss sich um die ringförmigen Magnetfeldlinien (Umlaufbahnen)
schlängeln, da es die anderen ringförmigen Magnetfeldlinien nicht kreuzen
kann

(Bild: Magnetfallen) (Simon)

- jedoch muss, um das Lawsonkriterium zu erfüllen, sowohl die Temperatur
als auch die Einschlußzeit deutlich gesteigert werden

(Bild: Fusionsreaktor) (Dennis)

Fusionsreaktor:

- solche Anlagen könnten dazu dienen, die kontrollierte Kernfusion zur
Energiegewinnung nutzbar zu machen !

- in dieser Anlage geht die Energie freisetzende Reaktion zwischen dem
Deuterium und Tritium bei einer Temperatur von 200 Millionen Grad in
einem Plasma vor sich.

- das Plasma wird von einem sehr intensiven Magnetfeld in einem
ringförmigen Volumen eingeschlossen, das Magnetfeld wird von Strom
erzeugt, der in einer Helium gekühlten Spule fließt (Kreislauf.3).

- ein Injektor sorgt für das Einbringen des frischen D - T - Gemisches und der
Separator sorgt für das Ausscheiden des Reaktionsproduktes Helium
(Kreislauf 1).

- der Abtransport der freigesetzten Energie erfolgt mit flüssigem
Lithiummetall. Diese Energie dient dann nach mehreren Stufen des
Wärmeaustausches zur Entwicklung von Dampf für die Turbogeneratoren.
Im Lithium wird durch Einfang der entstehenden Neutronen Tritium gebrütet,
deshalb muss dieses in der Natur nicht vorkommende Isotop nur beim
Anfahren der Anlage eingespeist werden (Kreislauf 2).

(Simon)

2.) Konzepte der gesteuerten Kernfusion mit Trägheitshalterung:

- das flüssige Brennstoffgemisch aus Deuterium & Tritium wird in einer kleinen
Glaskugel (max. 1mm Durchmesser) eingeschlossen

- die Glaskugel ist mit mehreren dicken Schichten überzogen (z.B. innere
Polymerschicht und einer äußeren Metallschicht), die nun auch nur wenige
Millimeter dick sind

- die überzogene Glaskugel wird auch Pellet genannt

- auf diese Kugel werden nun von allen Seiten gleichzeitig extrem starke
Impulse (Elektronenstrahlen) gerichtet, die eine enorme Aufheizung
innerhalb weniger Milliardstelsekunden bewirken

- das äußere Umhüllungsmaterial des Pellet verdampft nun explosionsartig,
dabei wird ein Rückstoß erzeugt, der mit dem Impulsdruck das innerer
Umhüllungsmaterial nach innen treibt

- dies hat eine extreme Kompression des Brennstoffes zur Folge

- das Pellet ist auf die mehrhundertfache Dichte komprimiert, dies ist von
einer gewaltigen Aufheizung begleitet

- nach den bisherigen experimentellen Untersuchungen sind Temperaturen
von
8
ca. 3*10 K erreichbar

(Bild: Trägheitshalterung) (Stefan)



(Dennis)

- diese thermonukleare Reaktion ist mit einer Miniwasserstoffbombe zu
vergleichen

- die Abmessungen der Pellets sind sehr wichtig, damit es nicht zu einer
Zerstörung der Anlage kommt
(Bild: Trägheitshalterung)

- ebenso wie bei der Tokamakvariante ist noch kein Durchbruch im Sinne
einer Fusionsreaktion geglückt, die mehr Energie freisetzt als zur
Einleitung verbraucht wird


Wasserstoffbombe:

Sonderart der Atombombe

- die Explosion entsteht durch Verschmelzung leichter Kerne (z.B.: Deuterium
und Lithium), bei der viel Energie in Form von Gamma -, Licht - und
Wärmestrahlung freigesetzt wird

- die erste Wasserstoffbombe wurde 1932 von den USA gezündet

- die Zündung einer Wasserstoffbombe erfolgt in mehreren Phasen :

Variante 1: Zweiphasenwasserstoffbombe

Detonation des Kernspaltungszünders Darauffolgend Fusion von Deuterium von Tritium (bei ca. 50 Millionen Grad)

- im Unterschied zu Spaltungskernwaffen erzeugen Fusionkernwaffen
vergleichsweise wenig radioaktive Beiprodukte (saubere Bombe)

- die Größe der Wasserstoffbombe ist nach unten durch die Größe und
Explosionskraft des Zünders beschränkt, nach oben nicht:

Es kann praktisch unbegrenzt viel Fusionsmaterial zur Fusion gebracht werden.

- das Fusionsmaterial (Deuterium - Lithium - Verbindung) wird in fester Form
verwendet, da dies den technische Aufbau erheblich vereinfacht und sie zu
einer leicht zu handhabenden Waffe

Variante 2: Dreiphasenwasserstoffbombe

- sie besitzt einen, die Kernfusionsladung umschließenden, Mantel aus
spaltbaren Material, das zusätzliche Explosionsenergie unter Entstehung
radioaktiv verseuchender Spaltprodukte liefert

- dieser Effekt kann verstärkt werden, wenn der Mantel aus Material
besteht, das durch die Neutronenstrahlung bei der Explosion stark
radioaktive Isotope bildet.

(Stefan)

Variante 3: Kobalt

- sie ist eine spezielle Form der Dreiphasenbombe, bei ihr besteht der
Mantel
60 - aus normalem Kobalt, das zu dem radioaktiven Isotop Co umgewandelt
wird, das mit seiner Halbwertszeit von 5,3 Jahren als Gammastrahler
jahrzehntelange Verseuchung bewirkt (schmutzige Bombe)

- es ist nicht bekannt, ob solche, ohne Probleme herzustellende, Bomben
existieren.

allgemein:

- die Wirkung dieser Bomben ist so verheerend, dass das Gebiet später nicht
mehr genutzt werden kann (max. 150 km)

z.B. die Explosionswirkungen entsprechen mehreren Millionen Tonnen TNT

- das Potential der Weltmächte an Wasserstoffbomben ist so groß, dass sie
ausreichen, um die Bevölkerung des jeweiligen Gegners mehrfach zu
vernichten

(Dennis)

Vorgänge in Fixsternen:

Fixsterne:

Früher wurden Sterne, die sich nicht zu bewegen schienen als Fixsterne bezeichnet. Heute weiß man jedoch, dass sich alle Sterne bewegen, deshalb werden jetzt nur noch die Sterne, die sich so gut wie nicht bewegen als Fixsterne bezeichnet.

- ihre Strahlungsenergie beziehen sie aus der kontrollierten Kernfusion, die
leichter zu betreiben ist als in unserer Atmosphäre, da die extrem hohen Temperaturen besser erreicht werden können

- ein Beispiel ist die Sonne, der Wasserstoffvorrat reicht noch für mehrere
Milliarden Jahre

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