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Kernfusionskraft im 21. Jahrhundert

Wie weit haben wir es geschafft, Fusionskraft in die Realität umzusetzen?

Eine der Möglichkeiten, wie wir eine enorme Energiemenge erzeugen können, sind Kernreaktionen. Kernkraftwerke verwenden eine Kernreaktion, um Wasser zu Dampf zu erhitzen, der wiederum Turbinen dreht, die Elektrizität erzeugen.

Die Vereinigten Staaten erzeugen mehr Kernenergie als alle anderen Land in der Welt, und fast 20% des gesamten Energiebedarfs der USA wird durch Kernenergie gedeckt.

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Es gibt zwei Arten von Kernreaktionen, mit denen wir Energie erzeugen können - Kernspaltung und Kernfusion.

Viele glauben, dass sowohl Kernspaltung als auch Kernfusion in Kernkraftwerken zur Energieerzeugung verwendet werden. Wir verwenden jedoch nur Kernspaltung, selbst wenn wir wissen, dass Kernfusion eine viel bessere Alternative in Bezug auf Brennstoffverfügbarkeit und Energieerzeugung ist.

Warum sind wir also auf die gefährlichere Option der Kernspaltung angewiesen? Lassen Sie uns diskutieren.

Was ist Kernspaltung und Kernfusion?

Bevor wir uns mit den Besonderheiten von Spaltung und Fusion befassen, müssen Sie den Unterschied zwischen beiden verstehen.

Kernspaltung : Der Prozess der Wärmeerzeugung durch Aufspaltung schwerer Atome. Die Aufspaltung von Atomen wird erreicht, indem das schwere Atom mit Hochgeschwindigkeitsteilchen, normalerweise Neutronen, getroffen wird.

Kernfusion : Der Prozess der Wärmeerzeugung durch Verbinden zweier leichter Atome zu einem schwereren Atom.

Die Kerngeneratoren, die wir heute haben, nutzen die Kernspaltung zur Wärmeerzeugung. Ein Kernspaltungsreaktor verwendet keramische Uranoxidpellets für seine Kerne.

Die Uranatome werden dann durch Beschuss mit Neutronen gespalten. Die Spaltung führt zu einer enormen Wärmemenge und setzt dabei mehr Neutronen frei.

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Diese neuen Neutronen treffen dann auf andere Uranatome, wodurch immer mehr Wärme und Neutronen erzeugt werden. Dies wird als Kettenreaktion bezeichnet und wir steuern die Reaktionsgeschwindigkeit mithilfe von Moderatoren wie Graphit oder Wasser.

Ein Kühlmittel wird umgewälzt, um die Wärme zu absorbieren und zu verhindern, dass der Reaktor zu heiß wird. Dies ist die Wärme, die das Kühlmittel Wasser in Dampf und dann in nützliche Energie umwandelt.

Die Wärmeabgabe ist für die Uranpellets, die wir in Kernreaktoren verwenden, sehr groß, was den Reaktor in gewissem Sinne wirtschaftlich macht. Nur 20 Gramm Uran Brennstoff kann bis zu 400 Kilogramm Kohle erzeugen.

Nur acht Uranpellets können ein Haus ein Jahr lang mit Strom versorgen.

Wenn wir die Kernenergie im Hinblick auf die Wärmeerzeugung mit anderen Formen fossiler Brennstoffe vergleichen, ist die Kernenergie weitaus sauberer, da kein CO2 erzeugt wird.

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Welches ist das bessere von zwei: Spaltung oder Fusion?

Obwohl wir die Kernspaltung für unsere Energie verwenden, ist es im Vergleich zur Kernfusion tatsächlich umweltschädlicher und gefährlicher, damit zu arbeiten. Unsere Sonne brennt hell und heiß aus der Energie, die aus der Kernfusion erzeugt wird.

Theoretisch kann die Kernfusion durch die Vereinigung zweier Lichtatome vorangetrieben werden, und wir haben die perfekten Kandidaten für den Prozess als Tritium und Deuterium. Der Vorteil der Kernfusion besteht darin, dass wir im Gegensatz zu Uran eine Fülle von Tritium und habenDeuterium als Isotope von Wasserstoff.

Der entstehende Atommüll ist weniger radioaktiv als bei der Kernspaltung. Es besteht auch keine Möglichkeit einer Kernschmelze, wodurch die Kernfusion im Vergleich zur Spaltung viel sicherer zu handhaben ist.

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Warum verwenden wir dann keine Kernfusion?

Da die Kernfusion ein großes Potenzial als die Spaltung aufweist, warum verwenden wir sie nicht? Die Antwort lautet, dass die Bedingungen für die Erleichterung der Kernfusion schwierig wiederherzustellen sind.

Wir haben diskutiert, dass die Sonne an der Kernfusion arbeitet, und dies liegt daran, dass die Temperatur und der Druck im Sonnenkern weitaus höher sind als das, was wir in Kernreaktoren wiederherstellen können. Wenn wir solche Einstellungen replizieren wollen, müssen wir die bringenReaktortemperatur bis zum 6-fachen der Temperatur im Sonnenkern, was etwa 100 Millionen Grad Celsius entspricht.

Die Sonne kann aufgrund ihres hohen Drucks in ihrem Kern die Fusion mit nur 15 Millionen Grad Celsius erleichtern.

Der immense Energiebedarf ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass durch die Kernfusion zwei positive Atome zur Fusion zusammengeführt werden. Da sich Ladungen wie Ladungen abstoßen, müssen wir den Atomen enorme Energiemengen geben.

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Wissenschaftler waren jedoch versucht den Code zu knacken wie man die Fusionsreaktion auf der Erde erleichtert.

Der Versuch, eine solche Einstellung zu schaffen, wurde zuerst durch ein Gerät namens Tokamak ermöglicht. Dies ist eine Donut-förmige Kammer, die Elektrizität verwendet, um das Gas in der Röhre aufzuladen.

Quelle : Robert Mumgaard / Wikimedia Commons

Wenn das Gas große Ladungsmengen erhält, ändert es den Zustand in Plasma.

Da sich die Kammer vor dem Einpumpen des Gases im Vakuum befindet, können die Wissenschaftler den hohen Druck nachahmen und die Temperatur noch weiter erhöhen, um eine Fusionsreaktion aufrechtzuerhalten. Um die Reaktion am Laufen zu halten, benötigen wir jedoch eineTonne Elektrizität und eine Kammer, die das Plasma für einige Zeit halten kann, ohne alle Teile zu schmelzen.

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Der höchste Wert, den wir mit Hochtemperaturplasma haben, beträgt 102 Sekunden, was durch den EAST-Reaktor in China ermöglicht wird.

Wissenschaftler scherzen oft, dass Fusionsenergie gewesen ist 20 Jahre seit sechs Jahrzehnten weg.

Der Weg zur Kernfusion

Dies bedeutet nicht, dass wir den Traum von einer viel saubereren und sichereren Energie aufgeben. Stattdessen haben sich 35 Nationen zusammengeschlossen und Ressourcen von 25 Milliarden US-Dollar zusammengelegt, um das größte Forschungsprojekt aller Zeiten in der Geschichte zu schaffen. ITER Internationaler thermonuklearer experimenteller Reaktor .

Ziel des Projekts ist es, bis 2035 eine nachhaltige Fusionsenergie zu erzeugen. Der ITER ist im Grunde eine leistungsstarke Version des Tokamak-Reaktors, der Plasma länger als eine Stunde lang aufnehmen kann und 50.000 Haushalte mit Strom versorgt.

ITER befindet sich derzeit in Saint-Paul-lez-Durance, Südfrankreich, im Bau.

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Letztes Jahr war eine Gruppe von Forschern des Princeton Plasma Physics Laboratory erfolgreich in Stabilisierung des Plasmas in Fusionsreaktoren um Temperatur- und Dichteschwankungen vorzubeugen. Dieser Durchbruch trägt dazu bei, das Anhalten von Kernreaktionen zu verhindern.

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Wir sehen auch den Aufstieg vieler Startups, die die Fusionsenergie vor 2035 in Betrieb nehmen wollen. Ein solches Beispiel ist Commonwealth-Fusionssysteme ein Unternehmen, das plant, bis 2025 einen funktionierenden Fusionsreaktor zu haben.

Man kann mit Sicherheit sagen, dass in Bezug auf Fusionstechnologien sicherlich Fortschritte erzielt werden. Es liegt nicht sicher in Reichweite, aber das Warten wird sich sicherlich lohnen.

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