Kapitel 5: Kernfusion

Transkript

1 Kapitel 5: Kernfusion 330

2 5 Die Kernfusion und ihre Anwendung Der Unterschied der Bindungsenergie zwischen Deuterium D und Helium He ist pro Nukleon wesentlich größer als bei der Kernspaltung. Kernfusion ΔE 33

3 5. Der Fusionsprozeß Es gibt verschiedene Möglichkeiten, leichte Atomkerne mit Energiegewinn zu einem schwereren Kern zu verschmelzen. Eine der Möglichkeiten ist die Fusion eines Deuterium- und eines Tritiumkerns zu Helium: D T 2He 0n 7,6MeV Das Neutron mit der hohen kinetischen Energie kann dann abgebremst werden, wobei seine Energie auf das abbremsende Medium übertragen wird. Deuterium kann aus dem Meereswasser in ausreichenden Mengen gewonnen werden. Das geht wegen der kurzen Halbwertzeit (T /2 = 2,3 a) mit Tritium nicht, es muß durch Kernreaktion aus Lithium gewonnen werden, z.b Li n He T 3,90MeV

4 333

5 Eine andere Möglichkeit bietet die Proton-Proton-Reaktion H D He H H 3 2 He D He 4 2 e He γ ν 2 5,49MeV e H,44MeV 2,85MeV 334

6 Außerdem gibt es den Kohlenstoffzyklus (CNO-Zyklus) 2 6 C H 3 7 N γ N C N H H β 3 6 C e N O ν γ γ e 5 8 O β 5 7 N e ν e 5 7 N H 2 6 C 4 2 He Bei diesem Prozeß entstehen noch γ-quanten, Positronen (e ) und Neutrinos (ν e ) 335

7 Um die Verschmelzung von leichten Kernen großtechnisch in einem Reaktor mit positiver Energieausbeute zu erreichen, muß jede Reaktion weitere Reaktionen in Gang setzten. Für eine selbsterhaltende Reaktion muß die Fusionsenergie mindestens so groß sein, wie die Verluste, die durch Strahlung und Aufheizung entstehen, also E E fusion therm E rad Dabei sind die thermischen Verluste dominierend. Ist n die Teilchenzahldichte pro Volumen, kann die Fusionsenergie abgeschätzt werden, nämlich E E 3nkT (*) fusion therm = 336

8 Nimmt man die Deuterium-Tritium-Reaktion an, dann ist die Anzahl der Reaktionen pro Volumeneinheit und Zeit N reakt = n n vσ D T Teilchendichte Deuterium Teilchendichte Tritium mittlere Geschw. Wirkungsquerschnitt Ist W die pro Prozeß freiwerdende Energie und die Dauer des Einschlusses τ, dann ist die Fusionsenergie E fusion = n n vσ W D T τ Mit (*) folgt daraus das Lawson-Kriterium n n vσ W τ 3nkT D T 337

9 Nimmt man an, daß die Teilchendichte für D und T gleich ist, d.h. n = n = dann folgt aus dem Lawson-Kriterium Für die D-T-Reaktion folgt daraus D 2 n vσ W τ 3nkT 4 Für einen gegebenen Prozeß gibt das Kriterium damit die Bedingung für Teilchendichte n und Einschlußzeit τ an: 2kT nτ vσ W T n 2 nτ 0 4 s/cm 3 338

10 Lawson-Kriterium für die Kernverschmelzung Temperatur [0 6 K] 339

11 5.2 Fusionsreaktoren Um die Kernfusion zu starten, muß das Lawson-Kriterium erfüllt werden, d.h. es muß das Produkt aus Teilchendichte n (= Druck) und Einschlußdauer τ bei der für den Prozeß erforderlichen Temperatur den Grenzwert überschreiten. Die Temperaturen liegen im Bereich von K, d.h. jedes Material würde völlig verdampfen. Deshalb muß das Brennmaterial (z.b. H, D, T) von jedem Material ferngehalten werden. Es gibt zwei Methoden, das extrem heiße Material einzuschließen:. Magnetischer Einschluß 2. Trägheitseinschluß 340

12 5.2. Magnetischer Einschluß Der magnetische Einschluß wird beim Tokamak-Reaktor benutzt. Prinzip des Tokamak-Reaktors: Die zu verschmelzenden leichten Elemente werden zu einem Plasma ionisiert und durch Magnetfelder im Volumen eingeschlossen. 34

13 Der Versuchs-Fusionsreaktor ITER in Cadarache (Frankreich) Ursprünglich: ITER = International Thermonuclear Experimental Reactor Heute: ITER = der Weg 342

14 Bauplatz des ITER-Projekts Partner des Projekts: EU, Schweiz, Japan, Russland, China, Südkorea, Indien, USA 343

15 Der Versuchs- Fusionsreaktor ITER Konzipiert nach dem Tokamak- Prinzip 344

16 Die Fusionsreaktion 2 D 3 T 4 2 He 0 n 7,6MeV Deuterium ist in der Natur zu 0,05% im Wasserstoff enthalten und kann relativ leicht abgetrennt werden. 345

17 Tritium entsteht auf natürliche Weise durch Beschuss von Stickstoff- kernen durch kosmische Neutronenstrahlung: 4 N n 2 C 3 H ( 3 H = T ) Auf der Erde gibt es in den Ozeanen insgesamt ca. 3,5 kg Tritium. Für die technisch nutzbare Kernfusion muß Tritium in ausreichender Menge durch Kernreaktion von Li mit Neutronen hergestellt werden: 6 Li n In Schwerwasserreaktoren fällt Tritium in einer Menge von kg pro 5 GWa elektrischer Energie als Nebenprodukt an. 4 Es wird außerdem im Blanket von Kernfusionsreaktoren erzeugt. He T 346

18 Innenansicht des Fusionsreaktors 347

19 Brennendes Plasma im Innern des Fusionsreaktors Notwendige Werte: Dichten n 0 4 cm -3, Einschlußzeit τ > s 348

20 Technische Daten von ITER (Stand 200) Gesamtradius 0,7 m Gesamthöhe 30 m Plasmaradius 6,2 m Plasmavolumen 837 m³ Masse des Plasmas 0,5 g Magnetfeld 5,3 Tesla Maximaler Plasmastrom A Heizleistung und Strombetrieb 73 MW Fusionsleistung ca. 500 MW Energieverstärkung 0 Mittlere Temperatur 00 Mio. ºC Brenndauer jedes Pulses > 400 s 349

21 5.2.2 Trägheitseinschluß Treibstoffkügelchen mit einem Durchmesser um 5 mm ( Pellets ) werden in extrem kurzer Zeit (τ 0-9 s) extrem hohe Dichten (n 0 24 cm -3 ) komprimiert. Strahlung Rückstoß thermische Energie Laserstrahlen heizen die Oberfläche des Targets auf und bilden ein Plasma Das Brenn material wird durch Rückstoß des heißen Plasmas komprimiert Durch die Kompression wird extrem hohe Dichte und eine Temperatur um T = 0 8 K erreicht Damit startet die thermonukleare Reaktion 350

22 Testaufbauten eines Fusionsreaktors mit Trägheitseinschluß. Statt Laserstrahlen können auch hochenergetische Schwerionenstrahlen eingesetzt werden. 35

23 352

24 5.2.3 Einschluß durch A-Bombenexplosion (H-Bombe) Prinzip der Wassersoffbombe Das Brennmaterial (z.b. T) wird durch das Zünden einer A-Bombe erhitzt und komprimiert und löst dadurch die Kernfusion aus. 353

25 Am..952 Zündung der ersten Wasserstoffbombe Mike auf dem Eniwetok-Atoll Prototyp der Bombe Zündung der Bombe 354

26 5.2.4 Einschluß durch Gravitation (Sonne, Sterne) Durchmesser: D =, km Masse: M sonne = kg Im Zentrum: Temperatur: T = K Dichte: ρ =,6 0 5 kg/m 3 (60x Dichte des Wassers!) 355