Was ist Kernfusion?
Die Kernfusion (in diesem Fall die Kernfusion) ist eine Reaktion
Nach modernen astrophysikalischenVorstellungen, die Hauptenergiequelle der Sonne und anderer Sterne ist die thermonukleare Fusion, die in ihren Tiefen stattfindet. Unter terrestrischen Bedingungen wird es mit der Explosion einer Wasserstoffbombe durchgeführt. Die thermonukleare Fusion geht mit einer kolossalen Energiefreisetzung pro Masseneinheit der reagierenden Substanzen einher (etwa 10 Millionen Mal mehr als bei chemischen Reaktionen). Daher ist es von großem Interesse, diesen Prozess zu beherrschen und auf seiner Grundlage eine billige und umweltfreundliche Energiequelle zu schaffen. Trotz der Tatsache, dass große wissenschaftliche und technische Teams in vielen Industrieländern an der Erforschung der kontrollierten thermonuklearen Fusion (CTF) arbeiten, müssen noch viele komplexe Probleme gelöst werden, bevor die industrielle Produktion von thermonuklearer Energie Realität wird.
Moderne Kernkraftwerke, die den Kernspaltungsprozess nutzen, decken den weltweiten Strombedarf nur teilweise.Sie werden von den natürlich vorkommenden radioaktiven Elementen Uran und Thorium angetrieben, deren Häufigkeit und Reserven in der Natur sehr begrenzt sind; Daher gibt es für viele Länder eineDer Hauptbestandteil des Fusionsbrennstoffs ist das Isotop des Wasserstoffs, Deuterium, das im Meerwasser vorkommt.Seine Reserven sind öffentlich zugänglich und sehr groß (der Weltozean bedeckt ~71% der Erdoberfläche, und Deuterium macht etwa 0,016% der Gesamtzahl der Wasserstoffatome aus, aus denen Wasser besteht).
Neben der Verfügbarkeit von Brennstoffen haben thermonukleare Energiequellen gegenüber Kernkraftwerken folgende wichtige Vorteile:
- Der CTS-Reaktor enthält viel weniger radioaktive Materialien als ein Kernspaltungsreaktor. Daher sind die Folgen einer versehentlichen Freisetzung radioaktiver Produkte weniger gefährlich.
- thermonukleare Reaktionen erzeugen weniger langlebige radioaktive Abfälle;
- TCB ermöglicht die direkte Stromerzeugung.
Die erfolgreiche Durchführung der Fusionsreaktion hängt von den Eigenschaften der verwendeten Atomkerne und der Möglichkeit ab, ein dichtes Hochtemperaturplasma zu erhalten, das zur Initiierung der Reaktion erforderlich ist.
Wie wird bei der Fusion Energie freigesetzt?
Die Energiefreisetzung während der Kernfusion ist auf zurückzuführenextrem intensive Anziehungskräfte, die im Kern wirken; Diese Kräfte halten die Protonen und Neutronen zusammen, aus denen der Kern besteht. Sie sind sehr intensiv und verfallen mit der Entfernung extrem schnell. Zusätzlich zu diesen Kräften erzeugen positiv geladene Protonen elektrostatische Abstoßungskräfte. Der Wirkungsradius der elektrostatischen Kräfte ist viel größer als der der Kernkräfte, so dass sie sich durchsetzen, wenn die Kerne voneinander entfernt werden.
Unter normalen Bedingungen ist die kinetische Energie der KerneLichtatome sind zu klein, um die elektrostatische Abstoßung zu überwinden. Sie könnten sich nähern und eine Kernreaktion eingehen. Die Abstoßung kann jedoch durch "rohe" Kraft überwunden werden, beispielsweise durch Kollidieren von Kernen mit hoher Relativgeschwindigkeit.
Warum machen Wissenschaftler Kernfusion?
Forscher entwickeln thermonukleareEin Reaktor, der mehr Energie erzeugen kann als er verbraucht, hat in einer Reihe kürzlich durchgeführter Arbeiten gezeigt, dass seine Entwürfe funktionieren müssen, und den Optimismus wiederhergestellt, dass diese saubere, grenzenlose Energiequelle zur Linderung der Klimakrise beitragen wird.
Eine Gruppe von Forschern aus MassachusettsDas Institute of Technology (MIT) und andere Institute erklären, dass der Kompaktfusionsreaktor SPARC in der Realität funktionieren wird. Zumindest theoretisch, wie sie in einer Reihe kürzlich veröffentlichter Studien behaupten.
Das Team weist darauf hin, dass in der Planungsphase NrEs wurden keine unerwarteten Hindernisse oder Überraschungen gefunden. Dies geht aus sieben Artikeln hervor, die von 47 Forschern aus 12 verschiedenen wissenschaftlichen Einrichtungen verfasst wurden.
Obwohl sich der neue Reaktor noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, hoffen die Wissenschaftler, dass er bis zum Ende des Jahrzehnts in der Lage sein wird, Martin Greenwald, einer der leitenden Wissenschaftler des Projekts, sagte gegenüber The Guardian, dass eine der Hauptmotivationen für den ehrgeizigen Zeitplan darin bestehe, den Energiebedarf in einer sich erwärmenden Umgebung zu decken."Die Kernfusion scheint eine der möglichen Lösungen zu sein, um aus der drohenden Klimakatastrophe herauszukommen ", sagte er .
Was ist das Problem mit der Fusion und wie kann sie dem Planeten helfen?
Kernfusion, ein physikalischer Prozess, derDie Energieversorgung unserer Sonne erfolgt, wenn Atome bei extrem hohen Temperaturen und Drücken zusammenstoßen und durch Fusion mit schwereren Atomen massive Energiemengen freisetzen.
Seit ihrer Entdeckung im letzten Jahrhundert haben Wissenschaftler versucht, die Kernfusion nutzbar zu machen, eine extrem dichte Energieform, deren Brennstoff – Wasserstoffisotope – reichlich vorhanden ist und nachgefüllt wird.Darüber hinaus entstehen bei der Kernfusion keine Treibhausgase oder Kohlenstoff und im Gegensatz zu Kernspaltungsreaktoren Gefahr des Schmelzens.
Die Nutzung dieser Form der Kernenergie erwies sich jedoch als äußerst schwierig, da die "Suppe der subatomaren Teilchen" – das Plasma – auf Hunderte von Millionen Grad erhitzt werden musste, um einem Behälter standzuhalten.Um dies zu umgehen, entwickelten die Wissenschaftler eine Donut-förmige Kamera, durch die ein starkes Magnetfeld hindurchgeht, einen sogenannten Tokamak, derPlasma an Ort und Stelle.
Was wird bereits entwickelt?
Wissenschaftler des Massachusetts Institute of TechnologyDie Tochtergesellschaft Commonwealth Fusion Systems begann Anfang 2018 mit der Entwicklung eines neuen Reaktors, der kompakter als seine Vorgänger ist. Der Bau soll in der ersten Hälfte des nächsten Jahres beginnen. Wenn ihr Zeitplan nach Plan verläuft, könnte ein Reaktor namens Sparc laut Forschern und Vertretern des Unternehmens bis 2030 Strom für das Netz produzieren. Dies wird viel schneller sein als die bestehenden großen Fusionsenergieinitiativen.
Bestehende Reaktorkonstruktionen sind zu groß und zu teuer, um tatsächlich Strom für die Verbraucher zu erzeugen.Mit Hilfe modernster, ultrastarker Magnete hofft das Team von MIT und Commonwealth Fusion, einen kompakten, effizienten und skalierbaren Reaktor zu schaffenTokamak. Was wir wirklich getan haben , ist, bestehende Wissenschaft mit neuem Material zu kombinieren, um riesige neue Möglichkeiten zu eröffnen", sagte Greenwald.
Nach dem Nachweis, dass das Sparc-Gerätkönnte theoretisch mehr Energie produzieren, als für den Betrieb benötigt wird. In den im September veröffentlichten Forschungsarbeiten besteht der nächste Schritt darin, einen Reaktor und dann eine Pilotanlage zu bauen, die Strom im Netz erzeugen wird.
Vor- und Nachteile der Kernfusion
Wissenschaftler und Unternehmer haben das lange versprochenDie Kernfusion steht vor der Tür, steht aber vor unüberwindlichen Problemen. Dies hat zu einer Zurückhaltung bei Investitionen geführt, insbesondere da Wind-, Solar- und andere erneuerbare Energiequellen, obwohl weniger leistungsfähig als Fusion, effizienter und kostengünstiger geworden sind.
Aber die Situation ändert sich.In Bidens 2-Billionen-Dollar-Plan bezeichnete er fortschrittliche Nukleartechnologie als Teil einer Dekarbonisierungsstrategie. Demokraten haben zum ersten Mal seit 1972 die Atomkraft unterstützt. Erhebliche Investitionen kommen auch aus privaten Quellen, darunter einige große Öl- und Gasunternehmen, die die Fusion langfristig als besseren Halt betrachten als Wind und Sonne.
Laut Bob Mamgaard, Geschäftsführer von Commonwealth Fusion, besteht das Ziel nicht darin, Solar- und Windenergie durch Kernfusion zu ersetzen, sondern sie zu ergänzen."Es gibt Dinge, die nur mit erneuerbaren Energien in industriellem Maßstab schwierig zu bewerkstelligen wären, wie z. B . die Stromversorgung von Großstädten oder die Fertigung", sagte er ."Hier kann die Synthese nützlich sein."
Die gesamte Plasma-Community ist von Sparcs Fortschritten begeistert, obwohl einige angesichts der technischen und regulatorischen Hürden den ehrgeizigen Zeitplan in Frage gestellt haben.
Daniel Jessby, 25 Jahre wissenschaftliche ForschungEin Mitarbeiter des Princeton Plasma Physics Laboratory ist skeptisch, ob ein Fusionsreaktor wie der SPARC jemals eine mögliche alternative Energiequelle werden könnte. Tritium, eines der Wasserstoffisotope, die Sparc als Brennstoff verwenden wird, kommt in der Natur nicht vor und muss produziert werden, sagte er.
Massachusetts Technological TeamDas Institut geht davon aus, dass diese Substanz durch die Synthesereaktion selbst kontinuierlich regeneriert wird. Aber Jessby glaubt, dass dies eine große Menge Strom erfordern wird, was den Reaktor unerschwinglich teuer macht. „Wenn Sie glauben, dass wir kostenlos Sonnen- und Windenergie erhalten, wäre es dumm, sich auf die Fusionsreaktion zu verlassen“, schließt er.
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