Synthese und Spaltung: Was ist der Unterschied?
Fusion und Spaltung sind unterschiedliche Prozesse zur Erzeugung von Kernenergie.
Diese Energie wird durch Atomkraft erzeugtDie Spaltung wird in Reaktoren aufgefangen und zum Erhitzen von Wasser zu Dampf verwendet, der eine Turbine dreht und Strom erzeugt. Dieser Prozess erzeugt jedoch Abfälle, die Millionen von Jahren radioaktiv bleiben können. Die Situation in den Reaktoren von Fukushima und Tschernobyl zeigte, wie sich dies entwickeln könnte.
Andererseits führt die Kernfusion nichtzur Bildung von langfristigen nuklearen Abfällen, und die notwendigen Materialien können innerhalb von 100 Jahren recycelt werden. Es besteht auch keine Unfallgefahr, da der Prozess auf Hochtemperaturreaktionen basiert, die bei Fehlfunktionen des Geräts in wenigen Sekunden anhalten. Und da diese Reaktionen eine relativ geringe Menge an Brennstoff verbrauchen, besteht keine Gefahr, sie zur Herstellung von Atomwaffen zu verwenden.
Auf dem Gebiet der Kernfusionsforschung gibt esWissenschaftler, die ein Ziel anstreben - die Prozesse nachzubilden, mit denen die Sonne selbst eine große Menge Energie erzeugt. Enorme Gravitationskräfte fangen Wasserstoff aus der Sonnenatmosphäre ein und wandeln das Gas mit starker Wärme und Druck in Plasma um. Darin kollidieren Kerne mit hoher Geschwindigkeit, bilden Helium und setzen Energie frei.
Ein weiterer Schlüsselfaktor ist die Schwerkraft.Die enormen Gravitationskräfte der Sonne sind etwa 28-mal größer als hier auf der Erde. Wissenschaftler mussten kreativ werden, um den Brennstoff für Kernfusionsreaktionen zu begrenzen. Der derzeit am meisten bevorzugte Ansatz ist die Verwendung von Magnetfeldern, mit denen zwei schwere Formen von Wasserstoff, Deuterium und Tritium, in einem Gerät namens Tokamak gehalten werden können.
Tokamak - große Hoffnungen
Das Wort „Tokamak“ selbst ist nichts„bezeichnet nicht“ ist nur eine Abkürzung, die später zu einem vollwertigen Wort wurde. Es wird nicht nur in Russland, sondern auch im Ausland verwendet, da dieses Ding in unserem Land erfunden wurde und hier lange Zeit aktiv weiterentwickelt wurde.
Tokamak ist eine Ringkammer mit Magnetspulen. Das ist alles.
Die Essenz eines Tokamaks liegt im SchaffenMagnetfeld, in dem die thermonukleare Fusionsreaktion stattfindet. Da die Temperatur einer solchen Reaktion nicht nur hoch, sondern im wahrsten Sinne des Wortes unerschwinglich ist (mehrere Millionen Grad Celsius), kann sie nicht einfach in einer Kammer durchgeführt werden – sie schmilzt lange bevor die Betriebstemperatur erreicht ist.
Diese Temperatur wird dadurch erreichtIm Inneren des Tokamaks befindet sich der Stoff im vierten Aggregatzustand, der bei solch hohen Temperaturen erreicht wird. Dieser Zustand wird Plasma genannt. Auf der Erde kommt Plasma in der natürlichen Umgebung nur in Blitzen und Nordlichtern vor; im Weltraum besteht buchstäblich alles daraus – Sterne, Nebel, interstellarer Raum.
In dem Gebäude, in dem sich der größte Tokamak-Reaktor der Welt befindet.
Der erste, der die Verwendung von Thermonuklearen vorschlägtSynthese, auch für industrielle Zwecke, war der sowjetische Physiker O.A. Lavrentyev. Er tat dies in seiner Arbeit von 1950. Mit seiner Arbeit begann die Untersuchung der Möglichkeiten zur Verwendung der Kernfusion.
Ein Jahr später haben andere Physiker – A.D.Sacharow und I.E. Tamm – entwickelte die Idee und sagte, dass die thermonukleare Reaktion in einer geschlossenen Ringkammer stattfinden sollte. Um ein Magnetfeld im Inneren des Tokamaks zu erzeugen, besteht dieser aus Abschnitten, in denen Spulen gewickelt sind. Da sie sich über die gesamte Länge der Kammer erstrecken und so etwas wie einen geschlossenen Tunnel erzeugen, wird das resultierende Magnetfeld als toroid bezeichnet. Dies ist der Arbeitsbereich der Installation.
Innerhalb des China Experimental Advanced Supraleitenden Tokamak (EAST).
Wenn die Kammer voll ist, entstehtein elektrisches Wirbelfeld, das das Plasma in der Kammer hält und es gleichzeitig aufheizt, sodass es die gleiche Temperatur von mehreren Millionen Grad erreicht.
Da das Feld und die Heizung durch Durch Erhöhen des Stroms im Induktor, der jedoch nicht unbegrenzt ansteigen kann, überschreitet die Lebensdauer des Plasmas in einem stabilen Zustand noch nicht mehrere Sekunden. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass wir Tokamaks noch nicht als Quelle für die industrielle Energieerzeugung nutzen können. Es gibt Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen, einschließlich der Verwendung von Mikrowellenstrahlung, aber bisher wird in dieser Richtung noch gearbeitet.
Viele Menschen arbeiten daran, dies zu erreichenZiele setzen große Hoffnungen in das Gerät der nächsten Generation, das sich derzeit im Bau befindet. ITER, oder der International Thermonuclear Experimental Reactor, ist eines der ehrgeizigsten Energieprojekte, die die Menschheit jemals unternommen hat und an dem Wissenschaftler und Ingenieure aus 35 Ländern beteiligt sind. Nach seiner Fertigstellung im Jahr 2025 wird es die weltweit größte Kernfusionsanlage sein.
Obwohl die meisten Ambitionen der MenschheitIm Bereich der Kernfusion im Zusammenhang mit ITER gibt es weitere spannende Möglichkeiten. Einschließlich eines weiteren thermonuklearen Reaktors mit magnetischem Einschluss – einem Stellarator.
Stellator - einen Stern imitieren
Stellaratoren sind wie Tokamaks darauf ausgelegtEindämmung von Plasmaströmen in einer geschlossenen Kammer mithilfe von Magnetspulen, jedoch mit einigen wesentlichen Unterschieden. Anstelle einer schönen, symmetrischen Donutform schickt der Stellarator Plasma in unregelmäßige Kreise, die sich mithilfe einer unglaublich komplexen Reihe von Magnetspulen immer weiter drehen. Dies erscheint kontraintuitiv, führt jedoch aufgrund der Unterschiede im internen Strom tatsächlich zu einer größeren Stabilität im Plasma, schreibt New Atlas.
Ein Stellarator ist für sich genommen eine Art Reaktor fürImplementierung einer kontrollierten thermonuklearen Fusion. Der Name kommt von lat. stella - star, zeigt die Ähnlichkeit der Prozesse an, die im stellarator und innerhalb der Sterne ablaufen. Der erste Prototyp, der 1950 vom amerikanischen Physiker L. Spitzer erfunden wurde, wurde im folgenden Jahr im Rahmen des geheimen Matterhorn-Projekts unter seiner Leitung gebaut.
Wendelstein 7-X (W7-X) - experimentellAnlage zur Erforschung von Hochtemperaturplasma in Greifswald in Deutschland. Der Bau wurde von 2005 bis 2014 vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik durchgeführt. Ziel der Anlage ist es, die industrielle Eignung eines Fusionsreaktors vom Stellarator-Typ zu testen sowie technische Komponenten und Technologien auf dem Gebiet der kontrollierten thermonuklearen Fusion zu erforschen und zu verbessern.
In solchen FusionsreaktorenDie Ringkammer hat eine komplexe, gewundene Form, ebenso wie die um sie herum erzeugten Magnetfelder. Diese ungewöhnliche Konstruktion, so die Theorie, trägt dazu bei, dass solche Reaktoren im kontinuierlichen Modus arbeiten und viel weniger Energie verbrauchen als herkömmliche „gleichmäßige“ Reaktoren. Reaktoren vom Tokamak-Typ. Darüber hinaus ermöglicht die komplexe Konfiguration des Magnetfelds die zuverlässige Eindämmung des Hochtemperaturplasmas, wodurch das Risiko seines Kontakts mit den Innenwänden der Reaktorkammer verringert wird. Solche Vorteile haben jedoch ihren Preis, der in der Komplexität der Konstruktion und Herstellung des Reaktors selbst liegt.
Im Dezember 2017 vollendete W7-X seinen zweitenPhase der Experimente, in denen verbesserte Plasmaheiz- und Messsysteme zum Einsatz kamen. Das Hauptelement, das in der zweiten Phase getestet wurde, war das Wärmeableitungssystem, dessen Betrieb das Plasmakabel nicht beeinträchtigen sollte. Dieses Werkzeug besteht aus einer Kette von Magneten, die komplexe Magnetfelder erzeugen und das Plasma dazu zwingen, nahe an 10 Kühlplatten vorbeizuströmen. Jede Abweichung der Magnetfelder führt zu einer Ablenkung des Plasmastrangs, was zu einer Überhitzung der Platten und zu einer übermäßigen Abkühlung und Zerstörung des Plasmastrangs führt.
Der Betrieb von Elektromagneten, die ein Magnetfeld erzeugen, wird von einem komplexen Steuersystem gesteuert, das viele Rückkopplungen verwendet.
Da Stellaratoren nicht so viel benötigenInterner Strom und bieten von Natur aus eine größere Stabilität als Tokamaks. Laut Hole sind sie möglicherweise besser für die Stromversorgung des Netzes geeignet. Voraussetzung ist jedoch, dass die unglaublich komplexe Infrastruktur kostengünstig und mit denselben Einschränkungen aufgebaut werden kann, was in der derzeitigen Form nicht der Fall ist.
Die Trägheitsretention ist ein radikaler Ansatz
Neben dem magnetischen Einschlussbereichandere Ansätze zur Kernfusion, die unter die sogenannte Trägheitsbeschränkung fallen. Trägheitsgesteuerte thermonukleare Fusion ist eine der Arten der thermonuklearen Fusion, bei der thermonuklearer Brennstoff durch seine eigenen Trägheitskräfte gehalten wird. Die Idee ist, den thermonuklearen Brennstoff schnell und gleichmäßig zu erwärmen, damit das resultierende Plasma vor der Streuung Zeit hat, zu reagieren. Bei Verwendung dieses Prinzips wird der Reaktor also gepulst. Diese neue Forschungslinie in der Kernfusion beinhaltet die Verwendung sehr genau gezielter Laser- oder Ionenstrahlen, um ein Brennstoffpellet, das aus Deuterium und Tritium besteht, schnell zu erhitzen.
Die Idee ist, dass die Auswirkungen auf dieseBrennstoffpellets wie eine plötzliche und heftige Erwärmung verursachen enorme Druckkräfte, die eine Kettenreaktion durch die Materialschichten auslösen, in denen eine Kernfusion stattfinden kann, und enorme Energiemengen freisetzen. Das in Australien ansässige Unternehmen HB11 Energy versucht, das traditionelle Deuterium- und Tritiumrezept zugunsten eines nicht radioaktiven Ansatzes, der Wasserstoff und Bor-b11 umfasst, abzuschaffen.
Kleines Pellet aus Wasserstoff-Bor-Kraftstoffin einer großen Kugel platziert und von zwei Lasern gleichzeitig getroffen, um eine Fusionsreaktion auszulösen, die ohne den Einsatz von Dampfturbinen direkt Strom erzeugt.
Das Unternehmen behauptet, viele Probleme zu vermeiden,die seit Jahrzehnten die Kernfusion betreiben, vor allem weil sie nicht versucht, ihren Brennstoff auf wahnsinnig hohe Temperaturen zu erhitzen. Er setzt seine Brennstoffpellets zwei Lasern aus, von denen einer ein magnetisches Einschlussfeld erzeugt und der zweite eine Kettenreaktion der Wasserstoff- und Borfusion auslöst, die Partikel erzeugt, die wiederum elektrischen Strom erzeugen können.
Nach Ansicht von Experten kann dieser Strom fast seindirekt an das bestehende Stromnetz angeschlossen. Es wäre weder ein Dampfturbinengenerator noch ein Wärmetauscher erforderlich, und es bestünde keine Gefahr einer Kernschmelze. Das Team ist hinsichtlich seiner Technologie sehr optimistisch und sagt, dass seine Experimente Reaktionsgeschwindigkeiten zeigen, die eine Milliarde Mal besser sind als vorhergesagt, und dass sein Entwicklungsplan viel schneller und kostengünstiger sein wird als andere Ansätze.
Die Energie, die dadurch freigesetzt wirdReaktion, ist in der Lage, den umgebenden Brennstoff zu erwärmen, und wenn die Temperatur hoch genug ist, kann sie auch eine thermonukleare Reaktion starten. Der Zweck solcher Anlagen ist die Fähigkeit, eine thermonukleare "Verbrennung" zu erreichen, wenn der Prozess der Wärmefreisetzung eine Verbindungsreaktion verursacht, die einen wesentlichen Teil des Brennstoffs beeinflusst. Ein typischer Kraftstoffball hat die Größe eines Stecknadelkopfes und enthält etwa 10 Milligramm Kraftstoff. In der Praxis kann nur ein kleiner Teil dieses Kraftstoffs für eine Kernreaktion verwendet werden. Wenn jedoch der gesamte Kraftstoff verwendet wird, wird Energie freigesetzt, die dem Verbrennen eines Barrels Öl entspricht.
„Das ist eine interessante Wissenschaft“, sagte Matthew Houle.Kernfusionsexperte und Forscher der Australian National University, der mit HB11 vertraut ist, und Forscher, die an dem Projekt bei New Atlas arbeiten – aber ich würde nicht sagen, dass es überzeugende Beweise dafür gibt, dass man es in ein Kraftwerk umwandeln könnte schnellerer Maßstab als ITER oder toroidaler magnetischer Einschluss.“
Laut Houle liegt das Hauptproblem dabeiDer Grund dafür ist, dass diese Reaktionen im Handumdrehen ablaufen. Damit die Technologie auf ein praktisches Kraftwerk angewendet werden kann, muss sie sich von kurzfristigen, einmaligen Reaktionen zu etwas entwickeln, das eine konstante Energieversorgung erzeugt, beispielsweise einem brennenden Feuer.
Z-Prise - dunkles Pferd
Ein weiteres interessantes Beispiel für den TrägheitsansatzDer Einschluss in die Kernfusion ist der Z-Pinch. In der Fusionsenergieforschung handelt es sich um eine Art Plasmaeinschlusssystem, das einen elektrischen Strom im Plasma nutzt, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das es komprimiert.
Mit anderen Worten, statt zu verwendengroße und komplexe Magnetspulen, um Plasmaströme an Ort und Stelle zu halten, ein Ansatz, der ein elektromagnetisches Feld nutzt, das im Plasma selbst erzeugt wird. Wir können sagen, dass dies das dunkle Pferd im Wettlauf um die Kernfusion ist. Seit seiner Einführung in den 1950er Jahren verspricht der Pinch-Effekt eine einfachere Konfiguration als Tokamaks oder Stellaratoren. Aber wie diese Geräte ist es auch unterliegen einer Instabilität im Plasma, die über die magnetischen Feldlinien hinausgeht.
Z-Pinch-Retentionssystem an der University of Washington
Wissenschaftler der University of Washington haben sich das ausgedachtEine Möglichkeit, diese Unebenheiten auszugleichen, besteht darin, die Plasmahydrodynamik anzupassen. Die Z-Quetschung ist zwar eine vielversprechende Lösung für das Energieproblem, wie der HB11-Laseransatz, steht jedoch immer noch vor großen Herausforderungen, wenn es um die Bereitstellung von Dauerleistung geht. Das Problem ist, dass es auch impulsiver Natur ist.
Was ist das Endergebnis?
ITER, toroidaler magnetischer Einschlussund Tokamak-Design sind bei weitem am fortschrittlichsten. Kernfusionsforscher verwenden jedoch unterschiedliche Ansätze, von denen jeder seine eigenen Vor- und Nachteile hat. Unglücklicherweise benötigt der Prozess unabhängig von der Herangehensweise immer noch mehr Energie, als er zurückgibt. Aber die Lösung dieser technischen und physikalischen Probleme zur Erzeugung sauberer Energie, so unglaublich schwierig es auch sein mag, wird eine der größten Errungenschaften der Menschheit sein.
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Torus (Toroid) - ist ein Volumendie Form, die sich aus der Drehung des Rings um das Rotationszentrum ergibt. Grobe Beispiele für einen Torus wären ein Donut, ein Bagel oder ein Fahrradschlauch, der von einem Rad entfernt wird.