Kernfusionsphysik

Fusionsreaktionen in Sternen

Fusionsreaktionen sind die primäre Energiequelle der Sterne und der Mechanismus für die Nukleosynthese der Lichtelemente. In den späten 1930er Jahren erkannte Hans Bethe erstmals, dass die Fusion von Wasserstoffkernen zu Deuterium exoerg ist (dh eine Nettofreisetzung von Energie erfolgt) und zusammen mit nachfolgenden Kernreaktionen zur Synthese von Helium führt. Die Bildung von Helium ist die Hauptenergiequelle, die von normalen Sternen wie der Sonne emittiert wird, wo das brennende Kernplasma eine Temperatur von weniger als 15.000.000 K hat. Allerdings enthält das Gas, aus dem ein Stern gebildet wird, häufig etwas Schweres Für Elemente, insbesondere Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N), ist es wichtig, Kernreaktionen zwischen Protonen und diesen Kernen einzubeziehen. Die Reaktionskette zwischen Protonen, die letztendlich zu Helium führt, ist der Proton-Proton-Zyklus. Wenn Protonen auch die Verbrennung von Kohlenstoff und Stickstoff induzieren, muss der CN-Zyklus berücksichtigt werden. und wenn Sauerstoff (O) enthalten ist, muss noch ein anderes alternatives Schema, der CNO-Bi-Zyklus, berücksichtigt werden. (Siehe Kohlenstoffkreislauf.)

Atomwaffe: Prinzipien von thermonuklearen (Fusions-) Waffen

Kernfusion ist das Verbinden (oder Verschmelzen) der Kerne zweier Atome zu einem einzigen schwereren Atom. Bei extrem hohen Temperaturen - in

Der Proton-Proton-Kernfusionszyklus in einem Stern, der nur Wasserstoff enthält, beginnt mit der Reaktion H + H → D + β ⁺ + ν; Q = 1,44 MeV, wobei der Q-Wert die Vernichtung des Positrons durch ein Elektron annimmt. Das Deuterium könnte mit anderen Deuteriumkernen reagieren, aber da so viel Wasserstoff vorhanden ist, wird das D / H-Verhältnis auf sehr niedrigen Werten gehalten, typischerweise 10 ^–18. Somit ist der nächste Schritt H + D → ³ He + γ; Q = 5,49 MeV, wobei γ anzeigt, dass Gammastrahlen einen Teil der Energieausbeute tragen. Das Verbrennen des Helium-3-Isotops führt dann über den letzten Schritt in der Kette zu gewöhnlichem Helium und Wasserstoff: ³ He + ³ He → ⁴ He + 2 (H); Q = 12,86 MeV.

Im Gleichgewicht verbrennt Helium-3 vorwiegend durch Reaktionen mit sich selbst, da seine Reaktionsgeschwindigkeit mit Wasserstoff gering ist, während das Verbrennen mit Deuterium aufgrund der sehr geringen Deuteriumkonzentration vernachlässigbar ist. Sobald sich Helium-4 aufbaut, können Reaktionen mit Helium-3 zur Bildung noch schwererer Elemente führen, einschließlich Beryllium-7, Beryllium-8, Lithium-7 und Bor-8, wenn die Temperatur höher als etwa 10.000.000 K ist.

Die Stadien der Sternentwicklung sind das Ergebnis von Änderungen der Zusammensetzung über sehr lange Zeiträume. Die Größe eines Sterns wird andererseits durch ein Gleichgewicht zwischen dem vom heißen Plasma ausgeübten Druck und der Gravitationskraft der Masse des Sterns bestimmt. Die Energie des brennenden Kerns wird zur Oberfläche des Sterns transportiert, wo sie mit einer effektiven Temperatur abgestrahlt wird. Die effektive Temperatur der Sonnenoberfläche beträgt etwa 6.000 K, und es werden erhebliche Mengen an Strahlung im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich emittiert.

Fusionsreaktionen zur kontrollierten Stromerzeugung

Reaktionen zwischen Deuterium und Tritium sind die wichtigsten Fusionsreaktionen für die kontrollierte Stromerzeugung, da die Querschnitte für ihr Auftreten hoch sind, die für die Nettoenergiefreisetzung erforderlichen praktischen Plasmatemperaturen moderat sind und die Energieausbeute der Reaktionen hoch ist - 17,58 MeV für die grundlegende DT-Fusionsreaktion.

Es ist zu beachten, dass jedes Plasma, das Deuterium enthält, automatisch etwas Tritium und Helium-3 aus Reaktionen von Deuterium mit anderen Deuteriumionen produziert. Andere Fusionsreaktionen mit Elementen mit einer Ordnungszahl über 2 können verwendet werden, jedoch nur mit viel größerer Schwierigkeit. Dies liegt daran, dass die Coulomb-Barriere mit zunehmender Ladung der Kerne zunimmt, was zu der Anforderung führt, dass die Plasmatemperatur 1.000.000.000 K überschreitet, wenn eine signifikante Rate erreicht werden soll. Einige der interessanteren Reaktionen sind:

H + ¹¹ B → 3 (⁴ He); Q = 8,68 MeV;
H + ⁶ Li → ³ He + ⁴ He; Q = 4,023 MeV;
³ He + ⁶ Li → H + 2 (⁴ He); Q = 16,88 MeV; und
³ He + ⁶ Li → D + ⁷ Be; Q = 0,113 MeV.

Reaktion (2) wandelt Lithium-6 in Helium-3 und gewöhnliches Helium um. Interessanterweise wird, wenn auf Reaktion (2) die Reaktion (3) folgt, wieder ein Proton erzeugt, das zur Induktion der Reaktion (2) zur Verfügung steht, wodurch der Prozess propagiert wird. Leider scheint die Reaktion (4) zehnmal wahrscheinlicher zu sein als die Reaktion (3).

Methoden zur Erzielung von Fusionsenergie

Praktische Bemühungen zur Nutzung der Fusionsenergie umfassen zwei grundlegende Ansätze zur Aufnahme eines Hochtemperaturplasmas von Elementen, die Kernfusionsreaktionen eingehen: magnetischer Einschluss und Trägheitseinschluss. Ein viel weniger wahrscheinlicher, aber dennoch interessanter Ansatz basiert auf einer durch Myonen katalysierten Fusion; Die Forschung zu diesem Thema ist für die Kernphysik von intrinsischem Interesse. Diese drei Methoden werden in diesem Abschnitt ausführlich beschrieben. Darüber hinaus werden die im Volksmund als Kalt- und Blasenfusion bezeichneten Prozesse kurz beschrieben.

Magnetische Begrenzung

Beim magnetischen Einschluss werden die Partikel und die Energie eines heißen Plasmas mithilfe von Magnetfeldern an Ort und Stelle gehalten. Ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld erfährt eine Lorentzkraft, die proportional zum Produkt aus Teilchengeschwindigkeit und Magnetfeld ist. Diese Kraft bewirkt, dass Elektronen und Ionen sich um die Richtung der magnetischen Kraftlinie drehen, wodurch die Teilchen eingeschlossen werden. Wenn die Topologie des Magnetfelds eine effektive magnetische Wanne ergibt und das Druckgleichgewicht zwischen Plasma und Feld stabil ist, kann das Plasma von Materialgrenzen entfernt eingeschlossen werden. Wärme und Partikel werden sowohl entlang als auch über das Feld transportiert, aber Energieverluste können auf zwei Arten verhindert werden. Die erste besteht darin, die Stärke des Magnetfelds an zwei Stellen entlang der Feldlinie zu erhöhen. Geladene Teilchen, die zwischen diesen Punkten enthalten sind, können dazu gebracht werden, hin und her zu reflektieren, ein Effekt, der als magnetische Spiegelung bezeichnet wird. In einem im Grunde geraden System mit einem Bereich mit verstärktem Magnetfeld an jedem Ende können Partikel aufgrund der Streuung zwischen Partikeln, wenn sie sich den Spiegelpunkten nähern, immer noch durch die Enden entweichen. Solche Endverluste können insgesamt vermieden werden, indem ein Magnetfeld in der Topologie eines Torus erzeugt wird (dh die Konfiguration eines Donuts oder eines Innenrohrs).

Externe Magnete können angeordnet werden, um eine Magnetfeldtopologie für einen stabilen Plasmaeinschluss zu erzeugen, oder sie können in Verbindung mit Magnetfeldern verwendet werden, die durch Ströme erzeugt werden, die induziert werden, um im Plasma selbst zu fließen. In den späten 1960er Jahren machte die Sowjetunion einen großen Fortschritt bei der Nutzung von Fusionsreaktionen für die praktische Energieerzeugung. Sowjetische Wissenschaftler erreichten zusammen mit anderen physikalischen Parametern in einer als Tokamak bezeichneten Maschine eine hohe Plasmatemperatur (ca. 3.000.000 K) (siehe Abbildung). Ein Tokamak ist ein toroidales magnetisches Einschlusssystem, bei dem das Plasma sowohl durch ein von außen erzeugtes, donutförmiges Magnetfeld als auch durch im Plasma fließende elektrische Ströme stabil gehalten wird. Seit den späten 1960er Jahren steht der Tokamak weltweit im Mittelpunkt der Magnetfusionsforschung, obwohl auch andere Ansätze wie der Stellarator, der kompakte Torus und die Umkehrfeldklemmung (RFP) verfolgt wurden. Bei diesen Ansätzen folgen die Magnetfeldlinien einem helikalen oder schraubenartigen Pfad, während die Magnetkraftlinien um den Torus verlaufen. Im Tokamak ist die Steigung der Helix schwach, so dass sich die Feldlinien lose um die poloidale Richtung (durch das zentrale Loch) des Torus winden. Im Gegensatz dazu wickeln sich RFP-Feldlinien viel enger und wickeln sich viele Male in poloidaler Richtung, bevor eine Schleife in toroidaler Richtung (um das zentrale Loch) abgeschlossen wird.

Magnetisch eingeschlossenes Plasma muss auf Temperaturen erhitzt werden, bei denen die Kernfusion stark ist, typischerweise größer als 75.000.000 K (entspricht einer Energie von 4.400 eV). Dies kann erreicht werden, indem Hochfrequenzwellen oder Mikrowellen an die Plasmapartikel gekoppelt werden, indem energetische Strahlen neutraler Atome injiziert werden, die ionisiert werden und das Plasma erwärmen, indem das Plasma magnetisch komprimiert wird oder indem die ohmsche Erwärmung (auch als Joule-Erwärmung bekannt) Dies tritt auf, wenn ein elektrischer Strom durch das Plasma fließt.

Mit dem Tokamak-Konzept begannen Wissenschaftler und Ingenieure in den USA, Europa und Japan Mitte der 1980er Jahre, große experimentelle Tokamak-Geräte zu verwenden, um Bedingungen für Temperatur, Dichte und Energieeinschluss zu erreichen, die jetzt denen entsprechen, die für die praktische Erzeugung von Fusionskraft erforderlich sind. Zu den Maschinen, mit denen diese Ergebnisse erzielt werden sollen, gehören der Joint European Torus (JET) der Europäischen Union, der japanische Tokamak-60 (JT-60) und bis 1997 der Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) in den USA. In der Tat erzeugten Experimente mit Deuterium und Tritium sowohl in der TFTR- als auch in der JET-Vorrichtung mehr als 10 Megawatt Fusionsleistung und im Wesentlichen Energie-Breakeven-Bedingungen im Plasma selbst. Plasmabedingungen, die denen von Tokamaks nahe kommen, wurden in den neunziger Jahren auch in großen Stellaratormaschinen in Deutschland und Japan erreicht.