Kapitel 5: Kernfusion 330
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
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: 2 3 4 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. 6 4 3 Li n He T 3,90MeV 3 0 2 332
333
Eine andere Möglichkeit bietet die Proton-Proton-Reaktion 2 3 2 H D He H H 3 2 He 2 3 2 D He 4 2 e He γ ν 2 5,49MeV e H,44MeV 2,85MeV 334
Außerdem gibt es den Kohlenstoffzyklus (CNO-Zyklus) 2 6 C H 3 7 N γ 3 7 3 6 4 7 N C N H H β 3 6 C 4 7 5 8 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
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
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
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
Lawson-Kriterium für die Kernverschmelzung Temperatur [0 6 K] 339
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 2 0 8 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
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
Der Versuchs-Fusionsreaktor ITER in Cadarache (Frankreich) Ursprünglich: ITER = International Thermonuclear Experimental Reactor Heute: ITER = der Weg 342
Bauplatz des ITER-Projekts Partner des Projekts: EU, Schweiz, Japan, Russland, China, Südkorea, Indien, USA 343
Der Versuchs- Fusionsreaktor ITER Konzipiert nach dem Tokamak- Prinzip 344
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
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
Innenansicht des Fusionsreaktors 347
Brennendes Plasma im Innern des Fusionsreaktors Notwendige Werte: Dichten n 0 4 cm -3, Einschlußzeit τ > s 348
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 5 0 6 A Heizleistung und Strombetrieb 73 MW Fusionsleistung ca. 500 MW Energieverstärkung 0 Mittlere Temperatur 00 Mio. ºC Brenndauer jedes Pulses > 400 s 349
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
Testaufbauten eines Fusionsreaktors mit Trägheitseinschluß. Statt Laserstrahlen können auch hochenergetische Schwerionenstrahlen eingesetzt werden. 35
352
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
Am..952 Zündung der ersten Wasserstoffbombe Mike auf dem Eniwetok-Atoll Prototyp der Bombe Zündung der Bombe 354
5.2.4 Einschluß durch Gravitation (Sonne, Sterne) Durchmesser: D =,39 0 6 km Masse: M sonne = 2 0 30 kg Im Zentrum: Temperatur: T = 5 0 6 K Dichte: ρ =,6 0 5 kg/m 3 (60x Dichte des Wassers!) 355