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Vorwort

Der Traum von der Kernfusion

 Fusion von Deuterium und Tritium zu einem Heliumkern

Fusion von Deuterium und Tritium zu einem Heliumkern

 

Aufbruch in ein neues Energiezeitalter?

 

Vorwort

 

Die Suche nach neuen hocheffizienten und umweltschonenden Energiegewinnungsverfahren ist eine der größten Herausforderungen die sich die Menschheit zur Zeit sich als Ziel gesetzt hat. Seit Jahrzehnten verspricht sich eine Heerschar von Ingenieuren und Physikern die Lösung durch eine besondere Energiegewinnung: die sogenannte Kernfusion. Das Prinzip der Kernfusion entspricht der Sonne. Wenn es irgendwann gelingen sollte ein Funktionsbereites Kraftwerk zu bauen und zu betreiben, versprechen sich die Physiker sehr viel davon. Sie meinen es wäre ein Segen für die Menschheit die Forscher sprechen von der unerschöpflichen Energiequelle und erhoffen sich sehr viel aus diesen Verfahren für die Menschheit. Das Beste an diesen Verfahren ist die benötigten Brennstoffe, die verwendeten Wasserstoffisotope, gibt es in fast beliebiger Menge in den Ozeanen und Meeren auf der Welt. Man sagt ein Kilogramm Wasserstoff würde in etwa so viel Energie liefern wie heute 11.000 Tonnen Kohle.

 

Die sichere Alternative gegen Atomkraft

Die Wissenschaftler und Physiker sind sich sicher das eine Gefahr eines Unfalls sehr gering ist und auch sehr unwahrscheinlich sei denn bei der kleinsten Störung breche die Fusion sofort ab das heißt es ist keine Kernschmelze möglich. Wenn es eines Tages gelingt ein Fusionskraftwerk zu bauen wäre es der Menschheit möglich, den unersättliche Hunger nach Energie auf ewig zu stillen. Jedoch lässt sich die Sonne in Laboren nicht so einfach nachbauen, denn es treten enorme Probleme auf die erst einmal bewältigt werden müssen. Außerdem entsteht zum Vergleich zu einen Atomkraftwerk nur geringe Mengen radioaktives Material.

 

Die Kernfusion nach dem Vorbild der Sonne

Die Sonne sie ist elementar für alles Leben auf der Erde. Dabei ist die Energie der Sonne aktuelle durch zu ersetzen. Dabei hegt die Wissenschaft seit langem den Traum der uneingeschränkten Energie, sozusagen die Kraft der Sonne auf die Erde zu holen, und so eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle zu gewinnen. Dabei besteht die Sonne zum größten Teil aus so genanntem Plasma, dabei handelt es sich um ein hoch erhitztes Gas aus Molekülen und Elektronen. Bei diesen Verfahren verschmelzen Wasserstoffmoleküle mit Helium. Und es entsteht eine Unmengen von Energie. Anzumerken ist, wenn das Plasma erst einmal brennt, werden enorme Energiemengen produziert und es ist mehr als zur Erhaltung des Sonnenfeuers notwendig, dadurch wird eine Art Perpetuum Mobile in Gang gesetzt. Diesen bestimmten Prozess bezeichnet man als Kernfusion.

 

Forscher haben ermittelt das im Innern der Sonne eine Temperatur von 15 Mio. Grad ausreicht, um ein Fusionsprozess auszulösen. Jedoch auf der Erde müssen allerdings Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius erzeugt werden um ein Plasma zu zünden. Nur durch diese Temperaturen kann man, so einen hohen Druck wie er auf der Sonne besteht nachahmen. Erst wenn diese Meilensteine geschafft und alle Probleme gelöst wurden, kann Plasma entzündet werden. Damit dies auch gelingt, haben sich viele Physiker einige Tricks ausgedacht. Der Trick ist, dass Plasma durch den Beschuss mit Neutralteilchen und Mikrowellen in einem ringförmigen Vakuum in Sekundenbruchteilen auf über 100.000.000 Grad Celsius zu erhitzen. Dabei ist das Aufheizen des Plasmas ist dabei nicht das größte Problem an der ganzen Sache. Viel schwieriger ist es, die hohe Temperatur des Plasmas in der Fusionskammer für einen langen Zustand zu halten.

 

Die Schwierigkeiten mit der stabilen Plasma Temperatur

Eine Gefahr besteht, wenn das Plasma mit der Innenwand der FusionsKammer in Kontakt kommt, kühlt es sofort wieder ab und die Fusion wird unterbrochen. Dies zu verhindern ist die große Herausforderung der Physiker. Wenn die Fusion später funktioniert soll. Bis jetzt können die Wissenschaftler die hohe Temperatur des Plasmas auf der Erde noch nicht so lange stabil halten, so dass ein Dauerbetrieb noch nicht möglich ist.

 

Die ersten Ideen zur Kernfusion

Die Vision, die Energie der Sonne auf die Erde zu holen und zu nutzen, wird im November des Jahres 1952 zur Wirklichkeit. Auf einem Pazifik-Atoll wird das erste Mal eine Wasserstoffbombe gezündet. Dabei wird eine Energiemenge frei gesetzt, wie sie vorher auf diesem Planeten noch nie beobachtet und gesehen wurde.

 

Entfesselung des Sonnenfeuers auf der Erde

Nach der Explosion entsteht ein Feuerball, dieser wächst in wenigen Sekunden auf fast 5 Kilometer Durchmesser an und vernichtet weitläufig alles Leben und Gelände in der Nähe. Zum Vergleich der Feuerball einer Hiroshima-Bombe, welcher nur einen Durchmesser von 160 Metern erreicht. Man kann sagen, die Entfesselung des Sonnenfeuers ist eine wirklich fürchterliche Waffe. Schon kurze Zeit später nach der Explosion der Wasserstoffbombe fragten sich Wissenschaftler, wie man diese enorme Energiequelle auch für friedliche Zwecke nutzen und gewinnen könne. Die Antwort auf diese Frage wird mittlerweile seit Jahrzehnten weltweit in zahlreichen weltweit Instituten gesucht.

 

Der sogenannte selbst organisierte Plasma-Zustand

Nach Zahlreichen Jahren von Problemen die aber mit großen Erfolg überwunden werden konnte existieren auf der Welt zahlreiche Test- und Versuchsanlagen die sich ganz mit den Thema Grundlagenforschung, Kernfusion verschrieben haben. Man muss noch davor sagen am Anfang der 80er Jahre etwa steckte die Fusionsforschung in einer Sackgasse, bis jedoch der Physiker Prof. Friedrich Wagner eine wichtige Entdeckung machte, einen selbst organisierten Plasma-Zustand, die auch als so genannte H-Mode bezeichnet wird. Durch diese wichtige Entdeckung konnte man die Wärmeisolation des Plasmas deutlich verbessern.

 

 

"Die Natur und die Naturgesetze sorgen für Ordnung. Und das ist auch etwas, was sich bei uns in unseren Plasmen abspielt. Und die H-Mode ist vielleicht der wertvollste Selbstordnungsprozess, der abläuft. Wenn ich also frage nach dem Verständnis des Plasmas, dann ist das eine ganz große Frage. Da frage ich nach vielen, vielen Dingen. Da frage ich sozusagen nach den atomistischen Dingen, da frage ich also nach den Wechselwirkungen geladener Teilchen und da frage ich - und da wird es kompliziert - nach dem kollektiven Verhalten in dem Plasma."

Zitat von Prof. Friedrich Wagner

 

Kernfusion

Was ist Kernfusion

 

Zusammenfassung

Einfach gesagt ist das Ziel der Fusionsforschung aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie zu gewinnen. Kernverschmelzungen sind sehr wichtige Naturprozesse , so entstehen viele chemische Elemente per Fusion aus Wasserstoff. Die Fusion ist die Energiequelle der Sonne und den Sternen. Unter irdischen Bedingungen verschmelzen am leichtesten die beiden Wasserstoffsorten Deuterium und Tritium bei der Kernfusion. Durch diesen Vorgang entsteht ein Helium-Kern, außerdem wird ein Neutron frei, sowie große Mengen nutzbarer Energie: Man sagt ein Gramm Brennstoff könnte in einem Kraftwerk 90 000 Kilowattstunden Energie erzeugen, das ist die Verbrennungswärme von ca. 11 Tonnen Kohle. Vorteil an der Fusion ist Fusionsbrennstoffe sind billig und auf der Erde gleichmäßig verteilt. Beispielsweise Deuterium ist in nahezu unerschöpflichen Mengen im Meerwasser zu finden. Tritium ist ein radioaktives Gas mit kurzer Halbwertszeit von 12,3 Jahren – es kommt in der Natur aber kaum vor. Es kann jedoch aber innerhalb des Kraftwerks aus Lithium gebildet werden, das ebenfalls reichlich vorhanden ist. Da ein Fusionskraftwerk zudem günstige Umwelt- und Sicherheitseigenschaften aufweist als ein Atomkraftwerk, könnte die Fusion nachhaltig zur künftigen Energiequelle auf der Welt werden.

 

Der Vorgang der Kernfusion

Bei der Verschmelzung von zwei Atomkernen, die dann zu einen neuen Kern werden, spricht man von einer Kernfusion. Dieser Vorgang wird auch als Kernreaktion bezeichnet. Weiterhin ist in der Kernfusion die Ursache zu suchen, dass die Sonne und andere Sterne Energie abstrahlen können. Bei Fusionsreaktionen können exotherm, das ist die Abgabe von Energie oder die endotherm, das ist die Aufnahme Energie, durchgeführt werden. Dabei ist von entscheidender Bedeutung, dass der Wirkungsquerschnitt und die Wahrscheinlichkeit bzw. das die zusammenstoßenden Kerne miteinander reagieren. Dazu muss die Coulombbarriere, die elektrische Abstoßung zwischen den positiv geladenen Kernen überwunden werden. Durch den Tunneleffekt wird dieser Vorgang wahrscheinlicher. Nähern sich die Kerne auf 10 bis 15 m einander an, bindet diese starke Wechselwirkung die Kerne und bindet sie aneinander, dieses Verhalten der Kerne wird dann als fusionieren bezeichnet.

 

Erforschung der Kernfusion

Das erste Mal wurde eine kernfusionsartige Kernreaktion durch den Physiker Ernest Rutherford im Jahre 1919 entdeckt. Dies geschah noch vor der ersten Kernspaltung, indem er in einen Versuch Stickstoffatome durch Beschuss mit Alphateilchen in Sauerstoff umwandelte. Nach dieser Entdeckung dauerte es bis im Jahre 1928, bis der damalige Physiker George Gamow dank der damals neu entwickelten Quantenmechanik diesen im Widerspruch zu klassischen Theorien stehenden Prozess mit Hilfe des sogenannten Tunneleffektes erklären konnte. Parallel zu diesen Forschungen wurde die Kernfusion von damaligen Astrophysikern als mögliche Energiequelle von Sternen und der Sonne vorgeschlagen. Nach vielen verschiedenen Theorien und aus den spektroskopischen Beobachtungen war bekannt , dass Sterne zum Großteil aus Wasserstoff bestanden, und man kam auf die Idee, dass hier die Verschmelzung zweier Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern für eine Fusion erforderlich seien. Ein Prozess, den Rutherford im Jahre 1934 erstmals durch die Fusion der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium zu Helium, künstlich im seinen Labor durchführte. Dieser Gedanke, die Kernfusion technisch in Form einer Kettenreaktion zu nutzen, wurde natürlich zuerst mit dem Ziel der militärischen Nutzung als Waffe verfolgt. Dadurch fand die Fusionsforschung daher in der Zeit des Zweiten Weltkrieg im Geheimen statt. Nach der USA, hatte auch die Sowjetunion 1949 eine eigene auf Kernspaltung beruhende Atombombe entwickelt. In den USA werkelten die Physiker Edward Teller und der Mathematiker Stanislaw Ulam an einem Konzept zum Bau einer neuen Bombe, der sogenannten Fusionsbombe oder auch als Wasserstoffbombe bezeichnet, die eine wesentlich höhere Sprengkraft versprach als eine Atombombe. Dies führte am 1. November 1952 zur Zündung der ersten Wasserstoffbombe" Ivy Mike" im Eniwetok-Atoll. Dies war der erste Nachweis, dass auch auf der Erde große Energiemengen künstlich durch Kernfusion freigesetzt werden können.

 

Energiebilanz

Ist die bei der Fusion entstandene Masse von Kerne/Teilchen geringer als die Summe der Masse der Ausgangskerne, dann wird die Massendifferenz auch als Δm nach der von Einstein stammenden Theorie der Masse-Energie-Äquivalenzformel E = Δmc2 in Form von Energie freigesetzt. Die Massendefekte und somit exotherme Fusionsreaktionen treten jedoch nur bei der Verschmelzung von leichter Kerne auf, da die Bindungsenergie die pro Nukleon mit steigender Massenzahl nur bis zur Bildung des Elements Eisen zunehmen kann. Jedoch ist sie sehr groß bei Helium-4 entstehenden Reaktionen, die sich somit für die Freisetzung von Fusionsenergie besonders gut eignen. Bei der Umsetzung von nur 1 kg Deuterium-Tritium-Gemisch in einen späteren Kernfusionsreaktor dieser würde eine thermische Energie von rund 100 Millionen Kilowattstunden liefern. Wenn man später einmal von einen Wirkungsgrad von einem Fusionskraftwerkes von 35 % ausgeht das ist vergleichbar mit einen heutigen KKW entspricht das einer elektrischen Energie von 35 GWh. Deutschland benötigte hatte im Jahr 2009 etwa 580 TWh diese Einheit ist Terawattstunden elektrische Energie benötigt. Um Deutschland mit elektrischer Energie zu versorgen, würde im Durchschnitt die Fusion eines Deuterium-Tritium-Gemischs von 45 kg pro Tag oder knapp 2 kg pro Stunde vollkommen ausreichen und es würde alle anderen Energiewerke überflüssig machen.

 

Der Reaktor

Kernfusionsreaktor

 

Vorwort

Man bezeichnet als Kernfusionsreaktor oder auch als Fusionsreaktor. Dies ist eine technische Einrichtung, die zur Energiegewinnung durch eine kontrolliert ablaufende Kernfusion eingesetzt werden soll. Da eine kontrollierte Kernfusion erst bei extrem hohen Temperaturen ablaufen kann, sind die technischen Hürden, die man erst noch bewältigen muss, äußerst hoch. Die bisher auf der ganzen Welt gebauten Fusionsreaktoren dienen ausschließlich der reinen Forschung und sind noch nicht zur Stromgewinnung geeignet bzw. gedacht. Dabei hätten Kernfusionskraftwerke gegenüber den bisherigen, eingesetzten Kraftwerken, die auf der Kernspaltung basieren, den Vorteil, dass sie einen sehr viel größeren Brennstoffvorrat haben als Atomkraftwerke, außerdem haben sie eine höhere Anlagensicherheit und weiterhin produzieren sie kaum radioaktive Abfälle. In der Hoffnung, den künftigen Energiebedarf der Menschheit mittels der Kernfusion decken zu können, arbeiten einige größere Industrieländer zum Beispiel die USA, Deutschland, Frankreich, usw. seit den 1960er Jahren an der Entwicklung der erforderlichen Technologien zum Bau eines funktionsbereiten Kernfusionsreaktors. Aktuell befinden sich folgende Experimente im Bau der Internationale Testreaktor ITER und die Forschungsanlage vom Typ Stellerator Wendelstein 7-X.

 

Grundprinzip

Das Grundprinzip eines Fusionsreaktors soll später mal sein im inneren der Fusionskammer verschmelzen Atomkerne miteinander und geben Energie in Form von Neutronenstrahlung und Bewegungsenergie des entstandenen Produktkerns wieder ab. Zur einer Fusion, die später unter technisch herstellbaren Bedingungen durchgeführt werden soll, sind nur bestimmte leichte Nuklide geeignet. Damit es nur zwischen zwei Atomkernen zur einer gewollten Fusionsreaktion kommen kann, muss man ihre gegenseitige elektrische Abstoßung irgendwie überwinden. Dieser Verschmelzungszustand lasst sich bei kernphysikalische Untersuchungen durch eine Beschleunigung von Ionen in die sogenannte Teilchenbeschleunigung erreichen. Aus solchen Laborexperimenten sind die bis jetzt heute bekannten Eigenschaften die für die Energiegewinnung geeigneten Kernfusionsreaktionen gut bekannt. Leider wird jedoch bei einem solchen Experiment insgesamt viel mehr Energie aufgewendet, als durch die Reaktion wieder hergestellt wird. Dadurch ist ein Betrieb zur Stromerzeugung ,bei diesem Verfahren bzw. Kraftwerken dieser Art, nicht geeignet. Leider ist eine solche Energiezufuhr für das anfängliche Aufheizen, auf die zur Fusion notwendige kinetische Energie der Atomkerne, nötig. Diese Energie muss mindestens eine Temperatur von über 100 Millionen Grad Celsius aufweisen. Daraus kann man sagen das für eine Fusions-Kettenreaktion erst einmal ein Plasma hergestellt werden muss und dieses wird dann durch Energiezufuhr von außen erhitzt. Dieses wird dann bei ausreichend hoher Temperatur und Dichte gezündet, danach läuft die Kettenreaktion von selbst. Danach dient ein Teil der bei den Verschmelzungen gewonnenen Energie zur Aufrechterhaltung der bestehenden Temperatur. Dann wird der verbleibende Energieüberschuss z.B. zur Aufheizung eines Kühlmittels genutzt, das kann z. B. Wasser oder Helium sein. Bei Helium oder anderen Kühlmitteln als Wasser muss man ein Wärmetauscher dazwischen schalten, der seinerseits dann Wasser erhitzt. Wasserdampf treibt dann über eine Dampfturbine einen Generator zur Stromerzeugung, wie auch in herkömmlichen Kraftwerken.

 

Die Grundlagenforschung

Erste theoretische und technischen Konzepte zur kontrollierten Kernfusion und auch zum Bau späterer Anlagen als Energiegewinnender Technologie wurden schon während der Entwicklungsphase der Atombombe unter anderem durch den Physiker Edward Teller und auch den Physiker Enrico Fermi entwickelt und getestet. Eine der entwickelten Ideen der beiden war es, ein äußerst heißes Deuterium-Tritium-Plasmagemisch durch ein Magnetfeld einzuschließen und zu stabilisieren. Nach dem Ende des Zweiten Weltkrieges wurde auch in England wieder begonnen an einer Nutzung der Kernfusion in zivilen Bereich zuarbeiten. Daraufhin entstand das erste zivile Forschungsprogramm zur Nutzung der Kernfusion in England. In dieser Zeit entwickelten die beiden Physiker George Paget Thomson und Moses Blackman die Idee, dass Plasma in einen ringförmigen Plasmagefäß mittels einem Magnetfeld einzuschließen und mit Hochfrequenzwellen aufzuheizen.

 

Die ersten Versuche mit den Varianten Stellaratoren und Tokamaks

Dieses Idee wurde in den folgenden Jahren in zwei verschiedenen Varianten unabhängig voneinander in den USA und der damaligen Sowjetunion weiterentwickelt. In den USA entwickelte der Physiker Lyman Spitzer den sogenannten Stellarator das kommt aus den lateinischen stella, und heißt so viel wie Stern, dieser Reaktortyp wurde ab 1951 im Rahmen von Projekt Matterhorn und Projekt Sherwood an der Universität in Princeton erforscht und immer weiterentwickelt. Leider erwies sich bald der Stellarator als zu kompliziert, da die komplexe Geometrie seiner Magnetfeldspulen für die Forscher ein damals unüberwindliches Hindernis dargestellt hatte. Erst gegen Ende des 20. Jahrhunderts konnten die nötigen Berechnungen, dank leistungsfähiger Super Computer, durchgeführt werden, wodurch der aktuelle Bau des Test-Stellarators Wendelstein 7-X in Greifswald in Mecklenburg Vorpommern erst möglich geworden ist. Die Berechnung der Spulenform hatte ganze 10 Jahre in Anspruch genommen. In der damaligen Sowjetunion wurde 1952, durch den zwei Physikern Andrej Sacharow und Igor Tamm, eine andere Variante des magnetischen Einschlusses von Plasma vorgestellt, der sogenannte Tokamak. Diese Bezeichnung/Abkürzung kommt aus den russischen und steht für tɔraidalʲnaia kamʲɛra v magnitnɨx katuʃkax im deutschen übersetzt steht es für Toroidale Kammer in Magnetspulen. Bei dieser Variante trägt ein in dem Plasma erzeugtes Magnetfeld zu dessen Einschluss bei. Dieses einfachere Design sollte zur Grundlage fast aller folgenden Fusionsexperimente auf der Welt werden.

 

Aktuelle Entwicklungen in der EU und den USA

Alle diese ersten Experimente fanden natürlich unabhängig voneinander und unter strenger Geheimhaltung statt. Erst im Jahre 1956 brach der Physiker Igor Wassiljewitsch Kurtschatow, er war der frühere Leiter des sowjetischen Atombomben-Programms, mit einem Fachvortrag im englischen Forschungszentrum Harwell, die Geheimhaltung des russischen Tokamak Experimentes. Bereits auf der zweiten internationalen Atomkonferenz, in Genf abgehalten, wurde 1958 erstmals eine Offenlegung der Ergebnisse und eine stärkere internationale Zusammenarbeit in beiden Richtungen beschlossen. Nicht zuletzt auf Grund der vielen großen technologischen Schwierigkeiten, die auf die einzelnen nationalen Forschungsprogramme gestoßen und erkannt wurden waren. Im Jahr 1958 wurde dann in Europa der Euratom-Vertrag geschlossen, den zunächst sechs europäische Länder unterzeichneten, diese Länder verpflichteten sich damit, im den Bereichen der Kernenergie und Kernforschung zusammenzuarbeiten. Dieser Vertrag führte 1973 zum Beschluss des Baus des aktuell Welt größten Tokamaks, des Joint European Torus kurz JET der in Culham Großbritannien steht, diese Testanlage ging 1983 in Betrieb. Am JET konnte am 9. November 1991 erstmals eine nennenswerte Energiemenge aus kontrollierter Kernfusion freigesetzt werden. In diesem Experiment lieferte ein Deuterium-Tritium-Plasma zwei Sekunden lang eine Leistung von 1,8 Megawatt.

Im Jahre 1997 wurde dann eine Fusionsleistung von 16 Megawatt erreicht, wobei für die Plasmaheizung bei diesem Versuch allerdings 24 Megawatt erforderlich waren. In Konkurrenz zum dem europäischen Projekt konnte das amerikanische Projekt TFTR, diese Abkürzung steht für Tokamak Fusion Test Reactor das an der Princeton University, der von 1983 bis 1997 in Betrieb war und wesentlich von den Physiker Harold Furth konzipiert wurde. Dieser Mann leitete lange das Programm und konnte ähnliche Erfolge vorweisen, wie ein ähnliches Experiment in Europa. Jetzt nach über 50 Jahren Forschung, soll erstmals eine positive Energiebilanz, also die Gewinnung von mehr Energie als zur Heizung des Plasmas aufgebracht werden muss. Erreicht werden soll dies im zukünftigen internationalen Fusionsreaktor ITER. Dieser wird aktuell im südfranzösischen Forschungszentrum Cadarache gebaut. Er soll den Weg ebnen für das geplante Kernfusionsprojekt DEMO, das erste Fusionsreaktorkraftwerk, das Strom erzeugt und damit die kommerzielle Nutzbarkeit der Kernfusion Weltweit nachweisen soll.

 

Liste von Versuchsanlagen

Tokamaks
Im Betrieb befindliche größere Tokamaks
Name Standort/Land
JET Culham, England
ASDEX Upgrade Max-Planck-Institut für Plasmaphysik - Garching bei München, Deutschland
TEXTOR am Forschungszentrum Jülich, Institut für Plasmaphysik - Jülich, Deutschland
EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), Hefei, China
JT-60 Naka, Japan
Tokamak à configuration variable der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne, Schweiz
Tore Supra in Cadarache, Frankreich
Im Bau
ITER Cadarache, im Süden Frankreichs
Stellaratoren
Beendete Experimente
Wendelstein 7-AS Garching bei München (1988–2002)
Im Betrieb
TJ-II CIEMAT Madrid Spainen
Columbia Non-Neutral Torus Columbia University, USA
Large Helical Device Toki (Gifu), Japan
Im Bau
Wendelstein 7-X Max-Panck-Institut für Plasmaphysik TI Greifswald, Mecklenburg Vorpommern Deutschland
Trägheitseinschluss durch Laserfusionablagen
NIF USA wird am Lawrence Livermore National Laboratory durchgeführt und erforscht
NLUF ---
Laser Mégajoule Frankreich
Andere Anlagen/Forschungseinrichtungen
Z-Maschine Die Z Maschine der Sandia National Laboratory in Albuquerque, New Mexico. Ist die größte Anlage der Welt die zur Erzeugung von Röntgenstrahlung genutzt wird.
Polywell ---

 

Tokomak Konzept

Das Tokamak Konzept

 

Der Kernfusionsreaktor Typ Tokamak ist ein Konzept, bei dem das heiße Plasma in einem sogenannten Torus von Magnetfeldspulen eingeschlossen wird. Das Konzept wurde in dem Jahr 1952 von den sowjetischen Physikern Andrei Sacharow und Igor Jewgenjewitsch Tamm in Moskau entwickelt und getestet. Bereits in den 1950ern Jahren wurden darauf die ersten Tokamak-Experimente in der Welt aufgebaut und natürlich auch in der Sowjetunion durchgeführt. Dabei ist das Wort ist eine Transliteration des russischen токамак, eine Abkürzung für „тороидальная камера в магнитных катушках“, was in deutsche übersetzt heißt: Toroidale Kammer in Magnetspulen.

 

Hintergrund der Tokamak Theorie

Nach dem die erfolgreiche Forschung der zivilen Kernenergie Ende des 20. Jahrhunderts zum Bau von KKWs geführt hatte, wurde begonnen nach den wie geplant verlaufenen Testexplosionen von Wasserstoffbomben mit einer Energiegewinnenden Nutzung der Kernfusion zu forschen. Man wollte die Möglichkeit einer kontrollierten Kernfusionsreaktion, mit zur Hilfename von Wasserstoff-Isotopen, zu erforschen. Die Voraussetzung dafür war, dass die gebildeten Isotope ein extrem heißes und dichtes Plasma bilden mussten, damit dann die erforderliche Temperatur für eine erfolgreiche Kernfusionsreaktion eintrat. Wenn dies gelungen ist, musste das heißen Plasma in ein Plasmagefäß eingeschlossen werden. Dabei darf das heiße Plasma keinen Kontakt zu Gefäßwand haben, sonst würde es sofort abkühlen. Um einen Abstand von der Gefäßwand zu erreichen, behilft man sich mit starken Magneten die in gleichen Abständen um das Plasmagefäß montiert wurden.

 

Konzept

Zur Umsetzung ihrer Ideen schlugen die beiden Physiker einen Torus-Förmigen Fusionsreaktor vor, dessen Ring von Feldspulen umgeben sein sollte. Das Magnetfeld hätte die Aufgabe gehabt, dass im Torus rotierende Plasma, in eine stabile Form zu bringen, dass es nicht die Gefäßwände berühren kann. Leider traten einige Probleme mit dieser Idee auf. Um diese zu lösen müssten die Teilchenbahnen zusätzlich eine Drehung innerhalb des Torus-Querschnitts durchführen das heißt die magnetischen Feldlinien mussten spiralförmig verlaufen. Diesen Zustand erreichte man durch die Eigenschaft des Plasmas. Da das Plasma leitfähig ist kann man es als Sekundärwicklung verwenden was vergleichbar ist mit der eine Transformator. Weiterhin verwendete man eine Primärwicklung. diese wurde im Torus-Zentrum angebracht. Ein weiteres Problem tritt auf beim Primärstrom, da man nicht die Transformatorleistung ständig steigern kann, ist dadurch der Transformatorhub begrenzt. Durch diese Problem muss man diesen von Zeit zu Zeit abschalten. Während dieser Pause geht der Plasmaeinschluss verloren, die Kernfusion setzt also aus und muss danach neu gestartet werden. Daraus kann man sagen das ein Tokamakreaktor nicht kontinuierlich erzeugen kann.
Dieses Problem beseitigt man indem man die Magnetspulen eines Fusionsreaktors aus Supraleitern fertigt, damit wäre dann der elektrische Energieverbrauch geringer und der Plasmazustand kann länger aufrecht erhalten werden.

 

Aufheizen des Plasmas

Im späteren Fusionsreaktoren wird man einen Teil der gewonnenen Energie dazu nutzen, die Plasmatemperatur beizubehalten und so die Kettenreaktion aufrechtzuhalten. Bevor dies geschehen kann muss mal jedoch jeden neuen Puls auf einer anderen Art auf über 10 keV das sind über 100 Millionen °C) erwärmen.

 

Neutralteilcheninjektion (NBI)

Bei dem Verfahren der Neutralteilcheninjektion wird ein Einschuss schneller Atome oder Moleküle in das durch Ohmsche Heizung aufgeheizte, magnetisch eingeschlossene Plasma durchgeführt. Auf diesem Weg wird das Plasma durch die Atome ionisiert. Dieser Zustand ermöglicht dann dem Magnetfeld es einzuschließen. Dann übertragen sie einen Teil ihrer Energie auf die Plasmateilchen. Dieses geschieht durch den wiederholten Zusammenstoß mit den Teilchen, dadurch wird die Plasmatemperatur erhöht. Bei diesen Verfahren kommen meistens Neutralteilchen aus Deuterium oder Tritium zum Einsatz, dass hat den Vorteil sie bilden automatisch den Brennstoffnachschub für die Kernfusion.

 

Mikrowellenheizung (ECRH)

Bei der Variante der Mikrowellenaufheizung werden Hochfrequente elektromagnetische Wellen von geeigneter Frequenz und Polarisation durch Oszillatoren sogenannte Gyrotrons oder Klystrons außerhalb des Torusgefäßes erzeugt. Bei diesen Verfahren kann ihre Energie auf die geladenen Teilchen im Plasma übertragen werden, welche wiederum mit anderen Teilchen im Plasma kollidieren und so die Temperatur erhöhen. Es gibt verschiedene Methoden, je nachdem, ob die Energie zunächst auf die Elektronen oder die Ionen des Plasmas übertragen werden sollen. Wenn man die Energie auf die Ionen überträgt spricht man von einer Ionen-Zyklotron-Resonanzheizung (ICRH). Wenn man aber jedoch die Energie auf die Elektronen gibt wird dieses als Elektron-Zyklotron-Resonanzheizung (ECRH) bezeichnet.

 

Aktuelle Forschung

Bei der aktuellen Forschung mit dem Tokamak Prinzip konnten bereits vielfach ein kettenreaktionsartiger zustand bei der Kernfusion erreicht werden, jedoch ist es leider bisher noch nicht gelungen dabei mehr Energie zu erzeugen, als eingesetzt wurde ist. Um dies zu erreichen sind größere Dimensionen erforderlich, und es müssen zudem weitere technische Fragen erst einmal gelöst werden, darunter die laufende Zufuhr neuen Brennstoffes und die Abführung der „verbrannten“ Fusionsprodukte, die dauerhafte Kühlung der supraleitenden Spulen usw.
Der bis jetzt größte Tokamak ist der Joint European Torus - Kurzform JET. Sein Nachfolger der ITER dessen Bau 2005 begonnen hat wird ihn dann ab 2018 ersetzen. Dieser Tokamak soll erstmals Netto-Energiegewinn demonstrieren, aber noch keine elektrische Energie produzieren. Das soll erst sein späterer Nachfolger DEMO, der sich erst noch der Planung befindet, demonstrieren. In Deutschland werden derzeit Forschungsexperimente an zwei großen Tokamaks betrieben, den ASDEX Upgrade am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching bei München und den TEXTOR am Forschungszentrum Jülich.

 

Testreaktoren

Die einzelnen Testreaktoren auf der Welt

 

Geschichte

Joint European Torus kurz als JET bezeichnet ist eine europaweit gemeinsam betriebene Versuchsanlage in Culham Großbritannien. Diese Anlage ist zur Entwicklung von Kernfusionsreaktoren des Typs Tokamak bestimmt. JET ist zurzeit die weltweit größte Fusionsanlage im Bereich der Variante Tokamak. Die Aufgabe diese Projektes ist es die Untersuchung der Zündbedingungen eines Plasmas zu beweisen und dazulegen durch Messdaten.

Der Beschluss für den Bau des Tokamak JET wurde 1973 von den Mitgliedern der Europäischen Gemeinschaft zusammen unterzeichnet und später dann auch so durchgeführt. Ab 1977 wurde dann der Standort Culham in England als optimales Gelände ausgewählt. Daraufhin wurde dann 1978 die Gesellschaft JET Joint Undertaking gegründet, die dann mit der Leitung der Testanlage betraut wurde. Am 25. Juni 1983 wurde im Reaktor das erste Plasma erfolgreich erzeugt und am 9. April 1984 wurde die Anlage offiziell durch Königin Elisabeth II. eingeweiht und in Dienst gestellt. Die Forschungen am JET standen in ständiger Konkurrenz zum US-amerikanischen Projekt TFTR, was an der Princeton University betrieben wird. Bereits 1991 wurden die ersten nennenswerten Erfolge bei der Energieerzeugung mittels Kernfusion erzielt. Die Physiker schafften es, für zwei Sekunden ein energielieferndes Plasma herzustellen und die erste kontrollierte Kernfusion der Geschichte durchzuführen. Dies führte in der Fusionsforschung zu den ersten Rekorden. Bereits 1997 wurde mit einem neuen Mischungsverhältnis des Brennstoffes, das diesmal 50:50 betrug, geforscht. Dieses Mischungsverhältnis ist auch für zukünftige Reaktoren vorgesehen, man erzielte bei den neuen Test eine Fusionsleistung von 16 Megawatt. Leider blieb trotzdem die Energiebilanz auch mit diesen erfolgen negativ, das heißt, es wurde mehr technisch nutzbare Energie verbraucht als gewonnen wurde. Weiterhin wurden 1998 ferngesteuerte Bedienungssysteme für Tokamakanlagen an JET erprobt, die in zukünftigen Reaktoren notwendig sind. Der Nachfolger von JET wird der Internationale Testreaktor ITER werden dieser befindet sich bereits im Bau und wird im Jahr 2018 fertiggestellt. Mit ITER soll zum ersten Mal eine positive Energiebilanz erzielt werden.

 

Technische Daten

Großer Plasmaradius: 2,96 Meter
Kleiner Plasmaradius: 2,1 Meter vertikal bzw. 1,25 Meter horizontal
Pulslänge: 21 Sekunden
Plasmaheizung: 25 Megawatt
Magnetfeld: 3,45 Tesla
Gewicht (Eisenkern): 2800 Tonnen
Energieausbeute: 16 MW / 24 MW = 0,66

 

ASDEX Upgrade

Geschichte

Das Experiment ASDEX Upgrade ASDEX ist eine Abkürzung und bedeutet AxialSymmetrisches Divertor-EXperiment, dabei ist es die größte deutsche Fusionsanlage. Sie ist wie das Experiment JET vom Typ Tokamak. In dieser Anlage werden Fragen der Plasmaphysik und Kernfusion unter kraftwerksähnlichen Bedingungen untersucht und getestet. Das ASDEX Upgrade ist ein Großprojekt des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Garching bei München. Am 21. März 1991 wurde das erste Plasma in ASDEX Upgrade erfolgreich gezündet. Seither wurden über 25.000 Testversuche mit der Anlage durchgeführt.

 

Technische Daten

maximale Magnetfeldstärke: 3,9 Tesla
Plasmastrom: 0,4 Megaampere - 1,6 Megaampere
maximale Pulsdauer: 10 Sekunden
Plasmaheizung: 27 Megawatt
Plasmavolumen: 14 Kubikmeter
Plasmamenge: 3 Milligramm
Plasmatemperatur: über 100 Millionen Kelvin

 

Tokamak TEXTOR

Geschichte

TEXTOR ist ein Tokamak-Experiment für den Bereich technologieorientierte Forschung die Abkürzung steht für Tokamak EXperiment for Technology Oriented Research, welche sich mit dem Gebiet der Plasma-Wand-Wechselwirkungen beschäftigt, das vom Institut für Energieforschung, im Bereich Plasmaphysik (IEF-4) im Forschungszentrum Jülich, betrieben wird. Der TEXTOR dient der Erforschung der Kernfusion. Für diese Experimente wird Wasserstoff und Deuterium auf bis zu 50 Millionen Grad erhitzt, so dass es in vollionisierter Form als Plasma, vorliegt. Dabei ist die Aufgabe des Experimentes die Wechselwirkung des Plasmas mit den umgebenden Gefäßwänden zu erforschen. Die Forschungsergebnisse fließen mit in den Bau des Kernfusionskraftwerks ITER ein, das zu Zeit in südfranzösischen Cadarache entsteht.

 

Technische Daten

Konfiguration: Tokamak
Plasmabegrenzung: Limiter / Dynamischer Ergodischer Divertor
großer Plasmaradius: 1,75 Meter
kleiner Plasmaradius: 0,47 Meter
Plasmaquerschnitt: kreisförmig
Plasmavolumen: 7 Kubikmeter
Anzahl Hauptspulen: 16
Magnetfeld: 3 Tesla
Plasmastrom: 800 000 Ampere
Pulsdauer: 12 Sekunden
Heizleistung: 8,5 Millionen Watt
Zusatzheizmethoden: NBI, ICRH

 

Experimental Advanced Superconducting Tokamak

Geschichte

Der EAST ist ein Testreaktor der in China errichtet wurde er wird auch intern HT-7U bezeichnet. Das Projekt wird vom Institut für Plasmaphysik der Chinesische Akademie der Wissenschaften geführt und geleitet. Der EAST ist eine Weiterentwicklung von Chinas erstem Reaktor, dieser wurde gemeinsam mit Russland zu Beginn der 90er Jahren gebaut, und hatte die Bezeichnung Reaktor HT-7 er war ebenfalls ein supraleitender Tokamak. Der Bau und die Fertigstellung erfolgte von 1998 und endete 2006. Später erfolgte dann ein Ausbau auf 22 MW. Er besitzt einen Plasmaringdurchmesser von 2,5 m bei einem Querschnitt von 80 cm dadurch ist er von der Größe mit den deutschen ASDEX Upgrade-Reaktor zu vergleichen. Ab Anfang August 2006 begann das Institut mit der Kühlung der Niob-Titan-Spulen auf Supraleitungstemperatur. Bereits am 27. September 2006 wurde das erste Plasma für eine Dauer von 1,2 Sekunden gezündet.
Da China auch Mitglied des internationalen ITER-Projekts ist, erhofft man sich von EAST neue Impulse zu dessen Weiterentwicklung.

 

Technische Daten

Toroidales Feld, Bθ: 3,5 T
Plasma Strom, IP: 0,5 MA
Maximaler Radius, R0: 1,7 m
Minimaler Radius, a: 0,4 m
Seitenverhältnis, R/a: 4,25
Elongation, κ: 1,6–2
Triangularität, δ: 0,6–0,8
Ion cyclotron resonance heating (ICRH): 3 MW
Lower hybrid current drive (LHCD): 4 MW
Electron cyclotron resonance heating (ECRH): 0,5 MW
Pulsdauer: 1–1000 s

 

Tokamak JT-60 (Japans Torus-60)

Geschichte

Der japanische JT-60 ist das Flaggschiff der japanischen Kernfusionsforschung, er wurde bis jetzt von der Japan Atomic Energy Research Institute und auch derzeit seit neusten mit Unterstützung der Japan Atomic Energy Agency erweitert. Der JT 60 ging 1985 in Betrieb, außerdem hält es derzeit den Rekord für den höchsten erbrachten Wert der bei einer erfolgreich durchgeführten Fusion erzielt wurde. Weiterhin ist der JT-60 ein Kernfusionsreaktor der Tokamakbauweise - seine Form ist mit den JET vergleichbar. Die Experimentellen erfolge werden dann auch mit in den Bau des internationalen Test Reaktors ITER mit einbezogen. Weiterhin verfügt der JT-60 nicht über eine Einrichtung die das Tritium verarbeiten kann das kann derzeit nur die Anlage JET in Großbritannien. Am 9. Mai 2006 kündigte die JAEA an, das der JT-60 eine 28,6 Sekunden langen Plasma-Dauer erreicht hatte. Die wichtigsten Ziele für die Zukunft des JT-60 sind endlich die High-Beta-stationären Betrieb zu beenden.
Im Jahr 2010 soll der JT-60 demontiert werden, um dadurch Platz zu schaffen für das neuste Update mit der Bezeichnung JT-60SA. Dieser wird dann eine Niob-Titan-supraleitenden Spulensystem erhalten. Dieser Umbau ist aber erst für das Jahr 2010 als Beginn und als Bauende ist 2016 vorgesehen wurden.

 

Technische Daten

Typ: Tokamak
Datum der Inbetriebnahme: 1985-2010
Größe: 3,4 Meter
Plasma Volumen: 90 m3
Magnetfeld: 4 Kubikmeter

 

Tokamak à configuration variable

Geschichte

Der Tokamak à configuration variable ist ein Schweizer Tokamak Experiment. Er wird auch als TCV bezeichnet. Außerdem wird er von der École polytechnique fédérale de Lausanne kurz EPFL geleitet. Die Inbetriebnahme erfolgte 1992, dabei dient er der Erforschung der Kernfusion. Am Anfang der 1976 Jahre schlug die New Swiss Association zum ersten Mal vor, einen Fusionsreaktor nach dem Tokamak-Prinzip zu bauen. Leider wurde jedoch der Vorschlag nicht weiter verfolgt, woraufhin er 1985 in überarbeiteter Form erneut eingereicht wurde. Bereits ein Jahr später wurde er schließlich angenommen und dem Projekt wurden Gelder für Entwicklung und Bau außerdem zur Unterhaltung zu verfügung gestellt. Nach dem Ende der 6 Jahren Bauzeit, wurde erfolgreich das erste Plasma gezündet. 1997 wurde dann mit einer Lebensdauer des Plasmas von 2 Sekunden bereits ein Weltrekord aufgestellt.

 

Technische Daten
Höhe: 1,40 m
kleiner Radius: 0,25 m
Großer Radius: 0,875 m
Volumen: 1,08 m3
Maximaler Plasmastrom: 1,2 Megaampere
Lebensdauer des Plasma: max. 2 s
Magnetfeld: 1,43 Tesla
Heizleistung: 4,5 Megawatt

 

Tore Supra Tokamak

Geschichte

Der Tore Supra ist ein Französischer Forschungsreaktor vom Typ Tokamak, dabei wird sein Name aus dem Wort Torus und Supraleiter abgeleitet. Diese Anlage verwendet auch ebenfalls supraleitende Magneten für den Einschluss des Plasmas in das Plasmagefäß. Diese Technik ist mit der des Tokamaks JET vergleichbar. Der Tore Supra befindet sich am Kernforschungszentrum Cadarache, welches auch der Standort für den ersten Testreaktor ITER werden soll. Das Ziel dieser Einrichtung ist es die Länge und die Dauer eines gezündeten Plasmas zu verbessern. Bis jetzt hält diese Anlage den Rekord im Bereich längste Plasma-Entladung/ Dauer. Dieses Vorganges bei diesen Rekord wurde eine Zeit von 6 Minuten 30 Sekunden und eine Energie von mehr als 1000 MJ erreicht.

 

Technische Daten

Höhe: 2,38 m
kleiner Radius: 0,72 m
Großer Radius: 0,875 m
Volumen: 1,08 m3
Maximaler Plasmastrom: 1,4 Megaampere
Lebensdauer des Plasma: max. 1000 s
Magnetfeld: 3,8 Tesla
Heizleistung: 20 Megawatt

 

Unbegrenzte Energie

Ein wichtiger Weg in Richtung der unbegrenzten Energie

 

Geschichte

Das internationale Forschungsprojekt ITER ist ein Forschungsunternehmen, an dem weltweit zahlreiche Länder zusammenarbeiten, um die Fusion in den nächsten Jahren möglich zu machen. Die Abkürzung ITER kommt aus dem Englischen und steht für International Thermonuclear Experimental Reactor. Diese Anlage ist auch zurzeit die größte und fortschrittlichste in der Entstehung befindliche Fusionsanlage vom Typ Tokamak. Dabei soll ITER zeigen, dass es physikalisch und technisch möglich ist, durch Kernverschmelzung Energie zu gewinnen. Die Fusionsanlage ITER arbeitet, wie die meisten Testanlagen auf der Welt, nach dem Tokamak-Prinzip und ist der Nachfolger des in Großbritannien stehenden JET ist die - Kurzform für Joint European Torus. Standort des ITER ist Cadarache dies liegt in Südfrankreich. Weiterhin wird ITER als ein gemeinsames Forschungsprojekt der sieben gleichberechtigten Partner der Europäische Atomgemeinschaft geplant und gebaut. Diese sind Japan, Russland, Volksrepublik China, Südkorea, Indien und die USA und Europa. Bei der Bezeichnung ITER ist auch noch sehr interessant das es ein Akronym ist. Einerseits ist es die Abkürzung für International Thermonuclear Experimental Reactor, andererseits hat es auch noch die das lateinische Bedeutung der Weg.

 

Zielsetzung des Projektes

Der Kernfusionsreaktor ITER soll -wenn er fertiggestellt ist, die technische Machbarkeit sowie Gebrauchstauglichkeit der Energiegewinnung aus Kernfusion demonstrieren und belegen, dass dieses Energiegewinnungsverfahren möglich ist. Den Berechnungen der Physiker zur Folge, soll etwa zehnmal so viel Energie aus dem Plasma freigesetzt werden, wie zu dessen späteren Aufheizung und Stabilisierung benötigt wird. Dies wäre einer der größten Erfolge in der Richtung eines richtigen funktionstüchtigen Kernfusionsreaktors. Was auch noch zur wesentlich wichtigen Beiträgen zur positiven Energiebilanz der Anlage ist der Vergleich zu den bisherigen Tokamak-Versuchsanlagen diese liefern dabei für ITER folgende Merkmale/ Verbesserungsvorschläge:

  • Die Baugröße des Plasmagefäßes: dadurch lassen sich höhere Plasmatemperaturen im Inneren erreichen
  • Einsatz von supraleitenden Magnetspulen: die nach dem Aufbau des Magnetfeldes nur mehr Energie für die Kühlung erzeugen
  • Anwendung der Deuterium-Tritium-Reaktion: unter Verwendung des radioaktiven Tritiums in einem geeigneten Mischungsverhältnis mit Deuterium.

Wie gesagt ITER funktioniert nach dem Tokamak-Prinzip. Er besteht aus Supraleitenden Magnetspulen die ein toroidales Magnetfeld erzeugen sollen. In diesem Magnetfeld soll dann ein Deuterium-Tritium-Plasma gezündet werden, in das nach dem Prinzip des Transformators ein elektrischer Strom induziert wird um das Plasma auf Temperatur zu bringen. Diese Einschlussmethode erlaubt wie gesagt das Plasma auf genügend hohe Temperatur und auch auf eine ausreichende Dichte für eine Fusionsreaktion zu bringen, die dann als energetische Kettenreaktion weiter brennt, dies aber nur solange wie man die notwendigen Bedingungen einer solchen Reaktion aufrechterhält. Außerdem wird der Reaktor ITER zunächst mit normalem Wasserstoff arbeiten (betrieben werden), der Betrieb mit einem Deuterium - Tritium Gemisch ist erst für das Jahr 2026 geplant. Die geplante Laufzeit von Iter beträgt 20 Jahre.

 

Technische Daten

Gesamtradius: 10,7 Meter
Gesamthöhe: 30 Meter
Großer Plasmaradius: 6,2 Meter
Plasmavolumen: 837 Kubikmeter
Masse des Plasmas: 0,5 Gramm
Magnetfeld: 5,3 Tesla
Maximaler Plasmastrom: 15 Megaampere
Heizleistung und Stromtrieb: 73 Megawatt
Fusionsleistung: rund 500 Megawatt
Energieverstärkung: rund 10x
Mittlere Temperatur: 100 Millionen Grad Celsius
Brenndauer jedes Pulses: > 400 Sekunden

 

Folgeprojekte

Sollten die Experimente erfolgreich verlaufen und der Beweis erbracht werden, dass Energiegewinnung mittels Fusion möglich ist, soll als Folgeprojekt ein erstes, kommerziell nutzbares Fusionskraftwerk namens DEMO diese Abkürzung steht für Demonstration Power Plant gebaut werden, dass die Kriterien der Wirtschaftlichkeit erfüllen und beweisen soll. Weiterhin kann man sagen das nach dem heutigen Stand ein voll funktionstüchtiges Fusionskraftwerk im Jahre 2050 durchaus möglich ist.

 

Das Stellerator Konzept:

Beim Stellaratortyp handelt es sich um eine torusförmige Anlage, die zum magnetischen Einschluss eines heißen Plasmas genutzt wird. Die Aufgabe und das Ziel dieser Anlage ist es, die Energiegewinnung durch Kernfusion zu beweisen und zu belegen. Dabei soll der Name dieses Fusionskonzeptes an die Kernfusion als Energiequelle der Sterne erinnern. Der Name kommt aus den lateinischen stella und heißt Stern. Die Erkennungsmerkmale eines Stellarator sind,zum einen, dass er Magnetspulen zum Einschließen des Plasmas verwendet. Daraus hat der Stellarator gegen über den Tokamak zwei Vorteile:

  • Da kein toroidaler Strom im Plasma induziert werden muss, kann der Stellerator von Anfang an im Dauerstrich-Betrieb arbeiten.
  • Da im Plasma kein Gesamtstrom fließt, wird eine bestimmte Klasse von Instabilitäten des Plasmas, die sogenannten Disruptionen, vermieden.

Geschichte

Das Konzeptes des Stellarators wurde 1951 im Rahmen des Projekts Matterhorn von Lyman Spitzer entwickelt, der eine Konfiguration vorschlug, bei der ein Torus zur Form der Ziffer 8 gebogen wurde. Der erste Stellarator wurde 1951 im Princeton-Labor für Plasmaphysik gebaut. Bei den Stellaratoren handelt es sich um komplexe Konstruktionen, weswegen auch die ersten Experimente mit ihnen nicht so erfolgreich waren wie jene mit dem Tokamak. Die weitere Forschung zur unbegrenzten Energie konzentrierte sich daher auch Anfangs auf das Tokamak Konzept. Durch die heutige technische Entwicklung und das Beherrschen von neuen Fertigungsverfahren konnten die Physiker und Wissenschaftler die Eigenschaften eines Stellarators soweit verstehen, dass es jetzt möglich ist die Probleme, die in den frühen Experimenten auftraten, zu überwinden, so dass der Stellarator nun eine gleichberechtigte Alternative zum Tokamak darstellt an.

 

Theorie

Die zum Einschluss des späteren Plasmas wird durch eine Verdrillung des Magnetfeldes bewirkt. Dieses wird alleine durch die Magnetspulen erreicht. Durch diese Eigenschaft ist ein Transformator zum Erzeugen eines elektrischen Stroms im Plasma, wie er beim Tokamak eingesetzt wird überflüssig. Eine Anlage vom Typ Stellarator besteht aus mehreren identischen Abschnitten, den Feldperioden, z. B. fünf für Wendelstein 7-X, zehn bei LHD, weiterhin besitzen diese eine diskrete Symmetrie. Als zweite Symmetrie kann auch noch die sogenannte Stellaratorsymmetrie vorliegen: Bei dieser geht eine Feldperiode in sich über, wenn sie um eine spezielle Achse um π gedreht wird. So kann es anders als beim Tokamak auch vorkommen, dass die magnetischen Feldlinien, die bei einen Experiment auftreten nicht mehr überall auf ineinander verschachtelten Flächen verlaufen, sondern sich eventuell stellenweise chaotisch verhalten können. Da sich diese Erscheinung negativ auf den Einschluss des Plasmas auswirkt, müssen unbedingt diese Gebiete möglichst klein sein.

 

Klassischer Stellarator

Bei einen klassischen Stellerator besteht das Spulensystem aus 2l dabei steht l für die natürliche Zahl, Diese ist geschlossen bei so einen helixförmigen Leiter, fließt der Strom in jeweils benachbarten Leitern in entgegengesetzte Richtung. Außerdem ist dieses Spulensystem von weiteren Spulen, umgeben diese erzeugen ein toroidales Magnetfeld. Daraus lässt sich schließen das der Stellaratortyp somit zwei ineinander verschränkte Spulensysteme besitzt.

 

Heliac

Diese System besteht aus toroidalen Feldspulen, deren Mittelpunkt einer helikalen Linie folgten, entlang dieser dann ein weiterer Leiter liegt. Diese Vertikalfeldspulen werden zum Kompensieren des vertikalen Feldes benötigt z.B. wie bei den TJ-II.

 

Optimierter Stellarator

Durch seine besonders, komplizierten Geometrie bietet der Stellaratortyp verschiedene Möglichkeiten, wie z.B. die Form mittels numerischer Computerberechnungen so zu verändern, dass bestimmte Forderungen an das physikalische Verhalten, z. B. Stabilität des Plasmas gegenüber kleinen auftretenden Störungen, guter Einschluss von Teilchen usw., möglichst gut erfüllt werden können. Diese Eigenschaften führen zu den sogenannten optimierten Stellaratoren. Weiterhin wird erst die Form des Plasmas berechnet und dann in einem zweiten Schritt das spätere Spulensystem, dass das dazu nötige Magnetfeld erzeugen soll. Einige Beispiele für optimierte Stellaratoren sind z.B. der Wendelstein 7-X der sich gerade in Bau befindet und der NCSX. Eine weitere interessante Sache stellen Mischformen zwischen Tokamak und Stellarator dar. Sie haben wie der Stellarator eine diskrete axiale Symmetrie und wie bei den Tokamak auch einen toroidalen Strom.

 

Modulares Spulensystem

Bei der Gestaltung des Spulensystem, und damit für das spätere Magnetfeld, gewinnt man verschiedene Magnetfeldeigenschaften, die für das Plasma entstehende Plasma sehr wichtig sind um es zu kontrollieren. Dies schafft man durch die Verwendung von modularen Spulen. Durch diese Verfahren können nahezu beliebige Stromverteilungen auf einer vorgegebenen Fläche erreicht werden. Außerdem sind Modulare Spulensysteme besonders wichtig für optimierte Stellaratoren. Auch in Vergleich auf Wirtschaftlichkeit und Konstruierbarkeit sind modulare Spulensysteme häufig einem nichtmodularen Spulensystem weit überlegen.

 

Spulensysteme

 

Helikale Spulenpaare mit entgegengesetzt fließenden Strömen.
Planare Spulen für Toroidalfeld

 

Spulensysteme

 

Helikale Spulen mit parallel fließenden Strömen.
Planare Spulen um Vertikalfeld der helikalen Spulen auszugleichen.

 

Modularer Stellarator Spulensystem

 

Ersetzen der Spulensysteme durch modulare 3-dimensionale Spulen. Hier Wendelstein 7-AS, dessen Spulensystem 3 helikale Spulenpaare mit unterschiedlicher Symmetrie ersetzt.

 

Auflistung der Stellerator Experimente auf der Welt

 

Beendete Experimente vom Typ Stellerator

 

Stellerator Wendelstein 7 AS

 

Geschichte

Das Experiment Wendelstein 7-AS war eine Fusionsanlage vom Typ Stellarator. Diese Anlage arbeitet mit einem anderen Plasmaeinschluss als der Tokamak und ist deshalb grundsätzlich für den Dauerbetrieb besser geeignet, da er nicht nur in Intervallen verwendet werden kann. Weiterhin war Wendelstein 7-AS der weltweit erste Stellerator einer neuen Klasse von fortgeschrittenen Fusionsanlagen und wurde im Zeitraum von 1988 bis 2002 in Garching vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik betrieben. Im Jahr 2002 wurde das Experiment dann beendet und der Bau des Nachfolgers Wendelstein 7-X in Greifswald vorbereitet und auch begonnen, dieser soll 2014 fertiggestellt werden. Das Ziel ist, damit den Kernfusionsprozess stabil zu halten und ihn für die Energieerzeugung zu nutzen und auch die Machbarkeit einer solchen Einrichtung zu beweisen.

 

Technische Daten

Großer Plasmaradius: 2 Meter
Kleiner Plasmaradius: 0,2 Meter
Magnetfeld: 2,5–3,5 Tesla
Anzahl der Spulen: 45
Pulsdauer: 5 Sekunden
Plasmaheizung: 5,6 Megawatt
Plasmavolumen: 1 Kubikmeter
Plasmamenge: <1 Milligramm
Plasmatemperatur: 15 bis 60 Millionen Grad Celsius

 

Der Spanische Stellerator TJ- II

 

Geschichte

 

Der TJ-II ist auch ein Fusionsreaktor vom Typ Stellerator er wird der National Fusion Spanien Laboratory betrieben und wurde auch von dieser gebaut. Dabei ist der TJ- II bis jetzt die größte wissenschaftliche Experimentanlage des Typs Stellerator, die von Spanien erbaut wurde. Weiterhin ist die Anlage derzeit in Betrieb. Dabei wurde die flexible Heliac TJ-II auf den Grundlagen von Berechnungen geplant und gebaut, die von Teams von Physikern und Ingenieuren der CIEMAT durchgeführt wurden war. Außerdem wurden Planungen und Entwicklungen in Zusammenarbeit mit dem Oak Ridge National Laboratory und dem Max Planck Institut für Plasmaphysik in Garching durchgeführt und gelöst. Das TJ-II-Projekt erhielt außerdem bevorzugte Unterstützung von Euratom für die erste Phase (Physik) ihrer Entwicklung, später dann auch noch für die Phase II (Engineering). Das erste Plasma wurde im Jahr 1999 erzeugt.

 

Leider sind mir keine weiteren Technischen Daten bekannt!

 

Columbia Non-Neutral Torus

 

Geschichte

Der Columbia Non-neutral Torus - Kurzform ist CNT. Dieses Experiment ist ebenfalls ein Stellarator und steht im Labor für Plasmaphysik der Columbia University.
Dieser Stellerator wurde von den Physikern Thomas Sunn Pedersen, Wayne Reiersen und Fred Dahlgren vom Princeton Plasma Physics Laboratory entwickelt. Die Aufgabe dieser Anlage ist es geladene Plasmen, die sich zwischen eingeschlossen magnetischen Flächen befinden, zu untersuchen. Der Stellerator lief im November 2004 an und wird außerdem von der National Science Foundation und dem United States Department of Energy mittels eines Faculty Early Career Development Preises über 800.000 US-Dollar, der an Pedersen verliehen wurde, finanziert und weiter entwickelt.

 

Technische Daten

Vakuumkammer: 1,5 Meter
höhe der Vakuumkammer: 1,9 Meter
Vakuumdruck: 1,3•10-8 Pa
Anzahl der Spulen: 4
elektrischer Leistung: 200 kW
Magnetfelder: 0,01 bis 0,2 Tesla
Teilchendichte ne: 1012-1014 m-3
Teilchenenergie Te: 1-100 eV

 

Large Helical Device

 

Geschichte

Das Large Helical Device Experiment ist eine Anlage, die für die Erforschung der Kernfusion errichtet wurde. Diese Einrichtung befindet sich in Japan und wurde da im Jahre 1998 in Tokio aufgebaut und wir auch noch bis heute da betrieben. Als Experiment zur Grundlagenforschung und zur Technologieentwicklung ist die LHD- Forschungsanlage nicht für eine Energiegewinnung ausgelegt. Die LHD ist zur Zeit das größte Fusionsexperiment, dass nach den Bauprinzip der Stellaratortechnik betrieben wurde. Erst mit der Fertigstellung des Stellerator Wendelstein 7X 2014 wird eine vergleichbare Anlage in Deutschland in Betrieb gehen. Als eine Besonderheit ist auch der LHD mit supra-leitenden Spulen ausgestattet, genau wie der Wendelstein 7X. Damit ist es prinzipiell möglich, Feldlinienkäfige bei hohen Magnetfeldstärken unbegrenzt lange zu erzeugen und zum Halten eines entstehenden Plasmas zu benutzen. In der Praxis sind die Experimente auf etwa halbstündigen Betrieb begrenzt. Diese Zeitspanne ist jedoch vollkommen ausreichend, um auch technologische Fragestellungen für einen Energie erzeugenden Reaktor wie bei ITER oder auch seinen späteren Nachfolger der DEMO zu klären und zu begründen.

 

Technische Daten

Vakuumkammer durchmesser: 7.8 Meter
höhe der Vakuumkammer: 1,2 Meter
Magnetfelder: bis zu 3 Tesla
Teilchendichte ne: 1012-1014 m-3
Spulenstrom: 11.000 A
Kühlleistung 5,7 KW

 

Stellerator Wendelstein 7-X

 

Geschichte

Der Stellerator Wendelstein 7-X ist ein experimenteller Fusionsreaktor, der seit dem Jahre 2005 im Teilinstitut Greifswald des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) aufgebaut und entwickelt wird. W 7-X ist dabei der Nachfolger des von 1988 bis 2002 betriebenen Experiments Wendelstein 7-AS das im Garching bei München betrieben wurde. Die komplette Fertigstellung ist für das Jahr 2014 geplant. Nach seiner Fertigstellung wird Wendelstein 7-X dann der weltweit größte Fusionsreaktor auf Stellarator-Basis sein. In dem Experiment W 7-X werden wesentliche Komponenten und Techniken erforscht die dann später für den großtechnischen Einsatz der Kernfusion zur kommerziellen Stromerzeugung eingesetzt werden könnte.
Erst jetzt in dieser Zeit ist es möglich, die komplizierten, verdrillten Magnetspulen eines Stellarators ausreichend präzise anzufertigen. Dies war vor 15 Jahren noch nicht möglich. Den Namen Wendelstein, der für die Stellaratorexperimente des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik verwendet werden, ist eine Anspielung auf die frühen Stellaratorexperimente am Princeton-Labor für Plasmaphysik, die unter dem Namen Matterhorn liefen. Da die ersten deutschen Stellaratoren im bayerischen Garching standen und erbaut wurden, wurde der Name des Berges Wendelstein, der sich in den Bayerischen Alpen befindet gewählt.

 

Ziele des Experimentes Wendelstein 7-X

 

Das erste Ziel ist es die Möglichkeiten der Energiegewinnung aus der Verschmelzung von Wasserstoff-Atomkernen zu beweisen und zu testen. Zweite Aufgabe der Anlage ist es, die kommerzielle Nutzung der Kernfusion zum Zwecke der Stromerzeugung zu belegen. Weiterhin wird versucht bei weiteren Experiment den magnetischen Plasmaeinschluss, der schon bereits seit den 1950er-Jahren erprobt wird, zu verbessern. Weiterhin hat Wendelstein 7-X die Aufgabe, die Eignung dieses Kernfusionsreaktortyps für kommerzielle Kraftwerke zu untersuchen. Außerdem soll auch noch die hervorragende Eigenschaft des Stellarators demonstriert werden, die Fähigkeit zum Dauerstrich-Betrieb.

 

Technische Daten

Großer Plasmaradius: 5,5 Meter
Kleiner Plasmaradius: 0,53 Meter
Magnetfeldstärke: 3 Tesla
Entladungsdauer: bis zu 30 Minuten Dauerbetrieb
Plasmaheizung: 14 Megawatt Mikrowellenheizung
Plasmavolumen: 30 Kubikmeter
Plasmamenge: 5–30 Milligramm
Plasmatemperatur: 60–130 Millionen Kelvin
Spätere Temperatur des Plasmas: 100 Millionen Grad Celsius

 

Die Physikalisch-technischen Grundlagen

Genau wie in der Sonne und anderen Sternen wird in einem Fusionsreaktor Wasserstoff zu Helium verschmolzen. Um dabei eine Fusion einzuleiten, muss der Brennstoff jedoch zu einen, Gemisch von schwerem und überschwerem Wasserstoffteilchen erzeugt werden. Dieses Gemisch wird dann auf Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius aufgeheizt. Bei diesen Temperaturen liegen dann die Wasserstoffisotope in der Form eines sogenannten Plasmas vor. Weiterhin muss das extrem heiße Plasma von der Umgebung isoliert werden, dies wird durch ein starkes Magnetfeld erreicht dabei schließt es das Plasma ein.

 

Hauptkomponenten

Die Fusionsanlage Wendelstein 7-X besteht im Wesentlichen aus einem Toroid von elf Metern Außendurchmesser, in dem das spätere rotierende Plasma durch Magnetfelder so eingeschlossen wird, dass es nicht mit der Gefäßwand in Kontakt kommen kann. Weiterhin befindet sich im inneren des Spulenkranzes, dass in 20 Teilen gefertigte Plasmagefäß. Außerdem finden sich wärmeisolierte Stutzen, die zwischen den Spulen und durch den Kryostaten hindurchgeführt werden, diese ermöglichen einen Zugang zum inneren Plasmagefäß. Das geschieht durch insgesamt 299 Öffnungen.

 

Magnetspulen

Das spätere Magnetfeld wird durch fünfzig den Torus umgebende, nicht-planare Magnetspulen erzeugt. Außerdem werden weitere zwanzig planare Magnetspulen zur gezielten Veränderung des Feldes eingesetzt. Die Kühlung der Magnete erfolgt durch flüssigem, unter Normaldruck stehendem Helium dabei werden die Magnetspulen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Bei diesen Vorgang werden die Magnetfeldspulen, die aus einer Niob und Titan Legierung bestehen supraleitend. Dabei gilt als kritisch die in Folge der angewandten Siedekühlung unvermeidliche Gasbildung im Kühlsystem. Dem sogenannten Heliumgas, es weist nur eine geringe Wärmekapazität auf, und kann die Wärme also nur schlecht ableiten. Daher besteht eine Gefahr, dass in den sich möglicherweise ausbildenden Dampfpolstern die Sprungtemperatur der Magnete schnell erreicht werden könnte.

 

Kryostat

Den gesamten Spulenkranz und auch den Plasmagefäß umschließt der sogenannte Kryostat, das ist eine wärmeisolierende Außenhülle von 16 Metern Durchmesser. Auch durch die beste thermische Isolation findet jedoch ein Wärmefluss, sowohl von außen als auch von innen in den Kryostaten statt. Dabei hilft dann später ein Tankvorrat an flüssigem Helium dieser soll dann mittels Verdampfungskühlung ausreichend thermische Energie diesem entziehen, um auch später während der Experimentdauer 5.000 Watt Wärmeleistung abzuführen und somit die Spulen und ihre Abstützung auf Supraleitungstemperatur zu halten.

 

Divertor und elektrische Energieversorgung

Weiterhin finden weitere Hauptkomponenten am W- 7X ihren Einsatz zum einen der Divertor, das ist eine Vorrichtung in Fusionsreaktoren, die das Fusionsplasma von Verunreinigungen befreit, außerdem die Systeme zum Aufheizen des Plasmas, die Versorgungseinrichtungen für elektrische Energie sowie die gesamte Kühlung.

 

Das Trägheitseinschluss (Laserfusions) Konzept:

 

Prinzip

Das Konzept der Trägheitsfusion ist ein Verfahren zur Auslösung einer kettenreaktionsartigen Fusion, bei der Verwendung von Deuterium und Tritium. Anders als bei den Experiment des Tokamak und Stellerator-Typs, die auf einen magnetischen Einschluss des Fusionsplasmas basieren, wird bei der Trägheitseinschluss Variante durch eine schnelle Energiezuführ der Brennstoff extrem verdichtet und aufgeheizt. Durch diese Durchführung beträgt die nötige Einschlussdauer nur noch Nanosekunden. Dadurch genügt außerdem nur noch die eigene Massenträgheit des Plasmas, um es zusammenzuhalten; daher auch die Bezeichnung Trägheitsfusion. Die Arbeiten und die Experimente mit der Trägheitsfusion, die seit Jahren am Lawrence Livermore National Laboratory durchgeführt werden, entstanden aus den Bemühungen, Wasserstoffbomben zu miniaturisieren. Erstmals wurde 1972 Überlegt die Trägheitsfusion mit Lasern durchzuführen.

 

Verfahren

Durch dieses Verfahren ist es möglich hochenergetische Energie zu bündeln, es genügt ein fein fokussierbares Licht oder Teilchenstrahlen um eine kleine Menge Fusionsbrennstoff innerhalb eines Reaktorgefäßes sehr schnell aufheizen zu können. Diese Strahlen müssen mindestens aus zwei Strahlen bestehen, die aus entgegengesetzten Richtungen kommen und auf das Fusionsmaterial treffen, in den meisten Fällen sind es aber weit mehr. Weiterhin befindet sich im Fusionsreaktorgefäß eine kleine Kugel aus einigen Milligramm Fusionsbrennstoff in fester Form, z.B. gefrorenes Deuterium-Tritium-Gemisch. Durch die Erhitzung dieses Gemisches bildet sich im Hohlkörper ein Röntgenstrahlungsfeld. Dieses bringt dann eine äußere Schicht des verwendeten Brennstoffs zum Verdampfen, wodurch der restliche Brennstoff zusammengedrückt wird, dadurch wird dieser dann in den Plasmazustand gebracht und dadurch startet dann die Fusions-Kettenreaktion.

 

Nutzen

Durch dieses experimentelle Verfahren ist es möglich durch die Reduzierung der Zündenergie und die geringe Energie der Fusion, die durch die Target Größe gesteuert wird, eine Reaktionskammer einzusetzen. Durch diese Eigenschaft können nun bisher unzugängliche Details des Fusionsprozesses untersucht werden. Außerdem sind diese Untersuchungen nur als Ersatz, für die früher von den Nuklearmächten durchgeführten Kernwaffentests vorgesehen und sind darum auch für diese von militärischem Interesse. Die Versuchsanlagen NIF, die in der USA steht und auch der LMJ, der von Frankreich betrieben wird, werden wegen diesen Zweck auch gebaut. Weiterhin werden diese auch aus militärischen Budgets finanziert. Dadurch kann man sagen, dass diese Anlagen nicht auf eine späteren Energiegewinnung ausgelegt sind. Als ein Motiv für die hohen Investitionen wird teils auch die „Soziologie der Waffenlabore“ vorgeschoben, da diese nach dem Zurückfahren der atomaren Aufrüstung neue Projekte bräuchten, um junge Wissenschaftler/Physiker anzuziehen und zu locken.

 

Stationen des Zündens einer Trägheitsfusionsreaktion

  • 1. Der Laserstrahl oder die indirekt produzierte Röntgenstrahlung heizen das Fusionstarget und erzeugen ein Plasma.
  • 2. Das Fusionsmaterial wird durch den nach Innen gerichteten Implosionsdruck komprimiert.
  • 3. Das Fusionstarget erreicht kritische Bedingungen, die das Lawson-Kriterium erfüllen.
  • 4. Kernfusionsprozesse finden statt, es wird ein Vielfaches der eingesetzten Energie freigesetzt.

 

Einige Experimenten Beispiele für die Trägheitsfusion

 

Die Anlage National Ignition Facility (NIF)

 

Die National Ignition Facility (kurz: NIF) ist eine Einrichtung des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in den Vereinigte Staaten. Außerdem wird es von der National Nuclear Security Administration (NNSA) betreut. Diese Anlage wurde 2009 fertiggestellt, seitdem finden Experimente zur Trägheitsfusion an ihr statt. Der Nutzen dieser Anlage ist die Simulation von Kernwaffenexplosionen, um die Funktionssicherheit der amerikanischen Kernwaffen ohne unterirdische Kernwaffentests zu gewährleisten. Weiterhin werden gleichzeitig wissenschaftliche Experimente durchgeführt, die eine Realisierung der Kernfusion als mögliche Energiequelle der Zukunft untersuchen und belegen soll. Geplant ist das in den nächsten ein bis zwei Jahren eine Kernfusion mit dieser Anlage stattfinden soll, so Mike Dunne, Leiter des Trägheitsfusionsprogramms, im Januar 2011.

 

Technische Daten

Anzahl Strahlengänge (beam lines): 192
Pulsenergie pro Strahlengang: 18,75 kJ
Fundamentalwellenlänge: 1053 nm
Lasermedium: Nd: Glas (Phosphat)
Apertur des Lasermediums: 40 x 40 cm
Schusswiederholrate: 4 bis 6 Pulse pro Tag
Fokus (Strahldurchmesser am Target): 5-faches der Beugungsbegrenzung
Pumpquelle: Blitzlampen
Effizienz (Optisch-optisch): 0,7 %
Raumfläche des Gebäudes: 230.000 sq ft, entspricht etwa 21.368m²
geplante Kosten und Bauzeit (Stand 1994): 1,2 Milliarden US-$, Fertigstellung 2002
tatsächliche Kosten: 3,4 Milliarden US-$
Fertigstellung: Mai 2009
Erster "full system" Schuss mit > 1 MJ: Oktober 2010

 

Die Anlage Laser Megajoule (LMJ)

Der französische Laser Megajoule (LMJ) ist ein Experiment der Trägheitsfusion. Diese Einrichtung befindet sich in Bordeaux das liegt in Frankreich sie wurde durch die Französische Kernwissenschaft Direktion, kurz Bezeichnung ist CEA erbaut. Der Laser Megajoule soll eine Laser Energie von 1,8 MJ erzeugen, durch diese Energie Leistung ist sie mit der US-Anlage National Ignition Facility (NIF) zu vergleichen. Außerdem ist der Laser Megajoule die größte ICF Experiment außerhalb der USA . Ebenso wird eine der Hauptaufgaben des Laser Megajoule sein Experimente mit Kernwaffen durchzuführen wie in der USA bei der Anlage NIF.

 

Leider sind mir keine weiteren Technischen Daten bekannt!

 

Z Maschine

Bei der Z-Maschine handelt es sich um eine Versuchsanlage, die für Materialversuche unter sehr hohen Temperaturen und extremen Druckverhältnissen durchführt. Der Standort dieser Anlage ist in Sandia National Laboratories (SNL), das liegt in Albuquerque, New Mexico, USA. Außerdem soll diese Anlage auch zur Entwicklung eines Kernfusionskraftwerks beitragen. Weiterhin war sie im Jahr 2005 zudem die leistungsstärkste künstliche Röntgenquelle auf der Welt.


Der Name Z-Maschine wird wie folgt abgeleitet

  • von der vertikalen Austrittsrichtung der Röntgenstrahlen der sogenannten Z-Achse
  • und auch von den vertikal verlaufenden Drähten

Weiterhin ist auch noch eine häufige Bezeichnung Z-Pinch oder auch Z-Quetsche.

 

Aufbau der Anlage

Die Z-Maschine hat eine Form, die etwas Ähnlichkeit mit einen Zylinder hat. Dieser Zylinder besitzt einen Durchmesser von 32 m und eine Höhe von 6 m, außerdem ist die Anlage von 36 radial angeordneten elektrischen Leitern umgeben. Diese haben einen Durchmesser von 1 m. Weiterhin befindet sich in der Mitte des Gefäßes, das zur Isolierung mit deionisiertem Wasser gefüllt ist - eine Vakuumkammer. In dieser befindet sich die sogenannte Z-Pinch, das ist eine zylindrische Anordnung aus 300 in Z-Richtung verlaufenden, parallelen Wolfram-Drähten diese haben die Größe einer Garnspule ca. mit einer Höhe von 20 cm. Im Zentrum dieses Drahtzylinders sitzt dann die Fusionskapsel, eine pfefferkorngroße Plastikkugel, die mit einem Gemisch aus Deuterium und Tritium gefüllt ist. Durch diese Kapsel können dann die Atomkerne fusionieren. Dies geschieht durch einen Bruchteil von Sekunden, dabei wird die Kapsel von ihrer ursprünglichen Größe sehr stark komprimiert und außerordentlich stark erhitzt. Dieser Vorgang lässt sich durch den Strahlungsdruck einer sehr intensiven Röntgenstrahlung erreichen.

 

Betrieb

Bereits 2003 erzielten die Wissenschaftler, durch einen Röntgenpuls von 120 TW erste Erfolg,e bei der Verschmelzung von Wasserstoffisotope. Die Dichte der Deuteriumkerne stieg dabei auf das Zweihundertfache an. Bei diesen Bedingungen werden zwei Kerne der schweren und überschweren Wasserstoffisotope wie z.B. Deuterium und Tritium so dicht zusammengepresst, dass sie zu einem Heliumkern verschmelzen. Die Forscher schätzen, dass ihr Fusionsexperiment eine Energie von etwa 4 mJ freisetzte hat. Ab 2006 wurde bereits bekanntgegeben, dass ein Plasma mit einer Temperatur von über 2 Milliarden Kelvin erzeugt wurde. Diese erzielte Temperatur ist höher als die im Inneren von Sternen und der der Sonne. Diese Ergebnisse konnten bisher zwar über einen Zeitraum von 14 Monaten mehrfach experimentell bestätigt werden, jedoch nicht leider vollständig erklärt werden. Zurzeit beginnen die ersten Planungen mit einer Erweiterung der Anlage mit der Bezeichnung "ZR-Maschine". Mit dieser neuen Anlage wollen dann die Physiker Röntgenpulse von bis zu 350 TW erzeugen, außerdem höhere Dichten und Temperaturen sollen erzielt werden, und somit sollen auch wesentlich größere Energiemengen bei Experimenten gewonnen werden.

 

Leider sind mir keine weiteren Technischen Daten bekannt!

 

Deutschland

Institute in Deutschland die sich mit der Kernfusion beschäftigen

 

Geschichte

Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, das seine Standorte in Garching bei München und in Greifswald Mecklenburg- Vorpommern hat, widmet sich der Erforschung der physikalischen Grundlagen für ein späteres Fusionskraftwerk. Das IPP ist außerdem ein Institut, das sich an der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften, sowie auch ein assoziiertes Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren ist. Der Standort Garching wurde 1960, zunächst als Gesellschaft mit beschränkter Haftung kurz GmbH, gegründet. Ein damaliger Gründer war der Physiker Werner Heisenberg. Er wurde dann auch später als Leiter eingesetzt. Ab den Jahr 1971 wurde das Institut dann in die Max-Planck Gesellschaft übernommen und eingegliedert. Im Jahre 1994 wurde das Teilinstitut mit dem Standort Greifswald gegründet und erbaut. Seit dem Jahr 1961 ist auch das IPP Teil des „Europäischen Fusionsforschungsprogramms“, das durch die Europäische Atomgemeinschaft kurz für EURATOM koordiniert und geleitet wird. Die Finanzierung des Instituts wir durch die Europäische Union, die Bundesrepublik Deutschland sowie die Länder Bayern und Mecklenburg-Vorpommern getragen.

 

Teilinstitut Greifswald (Max- Planck Institut für Plasmaphysik)

 

Mit ihren rund 1100 Mitarbeitern, davon etwa 700 in Garching und 400 in Greifswald, ist das IPP eines der größten Forschungszentren für Fusionsforschung in Europa. Die zurzeit neun wissenschaftlichen Bereiche des Instituts untersuchen unteranderen:

  • den Einschluss von Wasserstoff-Plasmen hoher Temperatur in Magnetfeldern
  • entwickeln Anlagen zur Plasmaheizung sowie Messverfahren zur Analyse der Plasmaeigenschaften
  • beschäftigen sich mit Plasmatheorie
  • Magnetfeldtechnik
  • Materialforschung
  • Plasma-Wand-Wechselwirkung und Datenerfassung und -verarbeitung Systemstudien zur Fusion

Außerdem gehören zum Institut vier Nachwuchsgruppen, sowie die Arbeitsgruppen „Plasmadiagnostik“ der Humboldt-Universität zu Berlin an, "Elektronenspektroskopie" in Berlin und „Oberflächenprozesse“ an der Universität Bayreuth. Weiterhin ist das Teilinstitut Greifswald, zusammen mit der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald, Träger der „International Max Planck Research School for Bounded Plasmas“, das ist ein Ausbildungsprogramm für Doktoranden in dem Gebiet der Plasmaphysik.
Wissenschaftliche Mitglieder und Direktoren für diese Ausbildung waren Alexander Bradshaw und Friedrich Wagner.

 

Zu den wichtigsten Fusionsexperimenten in der Geschichte des IPP zählen unter anderem:

  • Stellarator-Anlagen Wendelstein 2a (1968 bis 1974),
  • Wendelstein 7-A (1976 bis 1985),
  • Wendelstein 7-AS (1988 bis 2002)

sowie die Tokamak-Anlagen:

  • Pulsator (1973 bis 1979)
  • ASDEX (1980 bis 1990)

Heute wird in Garching der weiter entwickelte Tokamak ASDEX Upgrade betrieben. Dieser ist seit 1991 im Einsatz, sie ist auch die größte deutsche Fusionsanlage in Europa; im Teilinstitut Greifswald wird derzeit der Stellarator Wendelstein 7-X aufgebaut. Weiterhin beteiligt sich das IPP wesentlich am wissenschaftlichen Betrieb des europäischen Gemeinschaftsexperiments Joint European Torus (JET), das seit 1983 im britischen Culham, der gegenwärtig größten Fusionsanlage weltweit, betrieben wird. Zu den Planungen für den internationalen Testreaktor ITER, dessen Bau 2009 begann, hat das IPP wesentliche Grundlagen beigetragen. Auch den Betrieb der Anlage wird das Institut im wissenschaftlichen Bereichen weiter begleiten.

 

Nach Auffassung von Bundeskanzlerin Angela Merkel, ist die Fusionsforschung ein möglicher Schlüssel zur Lösung der künftigen Energieprobleme in Europa und auf der ganzen Welt. Bei einem Besuch des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald, bezeichnete Merkel das im Aufbau befindliche Kernfusionsexperiment "Wendelstein 7-X" als "Projekt, mit dem Deutschland Fusionsgeschichte schreiben kann und werden wird." Schon in ihrer Video-Botschaft hatte sie sich für eine Energiewende mit Hilfe der Kernfusion stark gemacht und kurz erklärt was die Kernfusion ist. Auf die Frage: Noch sei das Ganze eine Grundlagenforschung ohne Gewissheit auf Erfolg, meinte sie: Es wäre aber fatal, sich der Kernfusion als eine Möglichkeit der Energiegewinnung zu berauben, antwortete die Kanzlerin auf einer Frage. Merkel sicherte dem Institut weitere Unterstützung von Finanzen in den nächsten Jahren zu.