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 2 3 Deuterium H und Tritium H zu Helium möglich sein. 1 2 - 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. Seite 1/6
- 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) 13-3 -1 - 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: Seite 2/6
a) 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. b) 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) Seite 3/6
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 Seite 4/6
- 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 1.) Detonation des Kernspaltungszünders 2.) 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: Seite 5/6
- 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 Seite 6/6