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Die Tokamak-Reaktoren und wie sie die Kernfusion beeinflussen

Tokamak-Reaktoren und Kernfusion könnten die moderne Energielandschaft radikal verändern.

Chinas Kernfusionsreaktor Mlcumi / Wikimedia Commons

Während die Welt ihren Weg zur Nutzung nachhaltigerer Energiequellen fortsetzt, ist Atomkraft weiterhin eine wichtige Technologie. Während Wind-, Solar- und Wasserkraft in grünen Kreisen im Rampenlicht stehen könnten, entwickeln sich auch Technologien zur Erzeugung von Atomkraft weiter umweltfreundlicher.und effizienter - Lösungen.

Traditionelle Kernenergie funktioniert durch den Prozess von Kernspaltung dies beinhaltet die Aufteilung eines schweren, instabilen Kerns in zwei leichtere Kerne. Die durch diesen Prozess freigesetzte Energie erzeugt Wärme, um Wasser in Druckdampf zu kochen, der dann verwendet wird, um Turbinen zu drehen, die Elektrizität erzeugen. Während dieser Prozess möglicherweise sehr ineffizient klingtist es tatsächlich viel effizienter als andere Energiequellen.

Zusätzlich zum Thema Atommüll bietet die traditionelle Kernenergie jedoch viel Raum für Verbesserungen. Insbesondere der Spaltungsprozess lässt viel Atomenergie auf dem Tisch. Wenn Kernenergie durch Kernfusion Strom erzeugen würdestattdessen könnte viel mehr Energie erzeugt werden.

Während die Spaltung durch Aufspaltung von Atomen funktioniert, ist die Fusion der Prozess, bei dem sich zwei Lichtkerne verbinden. Dadurch werden enorme Energiemengen freigesetzt - dies ist der Prozess, der die Sonne antreibt. Die Fusion erzeugt nicht nur weniger radioaktives Material als die Spaltung, sondern erfordert auchZunächst viel weniger Material und bietet eine nahezu unbegrenzte Kraftstoffversorgung.

Warum nutzen wir heute nicht die Kernfusion, um unsere Welt mit Strom zu versorgen? Nun, weil es Wissenschaftlern wirklich schwer gefallen ist, Kernfusionsreaktionen aufrechtzuerhalten und zu kontrollieren.

Eine der wichtigsten Technologien für die Kernfusion ist der Tokamak-Reaktor, ein Donut-förmiges magnetisches Rückhaltegerät, das zur Nutzung der Fusionskraft entwickelt wurde.

VERBINDUNG: ENERGIEABTEILUNG UND MIT ARBEITEN AN EINEM NUKLEAREN FUSIONSREAKTOR

Während das Tokamak-Design ursprünglich in den 1960er Jahren entwickelt wurde, dauerte es mehr als 50 Jahre, bis sich die Technologie so weit entwickelt hatte, dass sie für den praktischen Gebrauch in Betracht gezogen werden konnte. Der russische Physiker Oleg Lavrentiev entwarf das Design zuerst und es wurde später von Igor Tamm undAndrei Sacharow. Heute ist es ist eine von mehreren Arten von Magnetbegrenzungsvorrichtungen, die zur Herstellung eines kontrollierten thermonuklearen Kerns entwickelt werden Fusion Macht. Es ist derzeit der führende Kandidat für ein Praktikum Fusionsreaktor .

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Aber was macht das Tokamak-Design so besonders, dass es dazu in der Lage ist theoretisch die Kraft der Fusion nutzen?

Funktionsweise von Tokamak-Reaktoren

Das Herz eines Tokamaks ist seine Donut-förmige Vakuumkammer.
In der Kammer wird gasförmiger Wasserstoffbrennstoff extremer Hitze und extremem Druck ausgesetzt und verwandelt sich in a Plasma - ein heißes, elektrisch geladenes Gas.

Die geladenen Partikel des Plasmas können durch massive Magnetspulen gesteuert werden, die um die Kammer herum angeordnet sind. "Tokamak" ist ein russisches Akronym, das für "Toroidkammer mit Magnetspulen" steht. Die Steuerung ist erforderlich, um das Plasma zu haltenvon den Wänden der Kammer entfernt - Kontakt zwischen dem elektrisch geladenen Plasma und den Reaktorwänden kann zu einem nahezu sofortigen Einschmelzen führen.

Ein starker elektrischer Strom fließt durch das Gefäß und der gasförmige Wasserstoffbrennstoff wird ionisiert Elektronen werden von den Kernen abgestreift und bildet ein Plasma.

Wenn die Plasmapartikel erregt werden und kollidieren, beginnen sie sich ebenfalls zu erwärmen. Zusätzliche Erwärmungsmethoden tragen dazu bei, das Plasma auf Schmelztemperaturen zwischen 150 und 300 Millionen ° C zu bringen. Die Partikel werden ausreichend "angeregt", um ihre natürliche elektromagnetische Wirkung zu überwindenAbstoßung bei Kollision zu Sicherung wodurch große Mengen an Energie freigesetzt werden.

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All dies mag einfach klingen. Warum ist es nicht häufiger? Vor allem, weil es ziemlich schwierig ist, Plasma über einen längeren Zeitraum mit so hohen Energieniveaus zu erhalten.

Das größte Problem beim Tokamak-Design ist die Erwärmung des Plasmas im Inneren. Damit das Plasma heiß genug wird, damit Fusionsreaktionen stattfinden können, muss es Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius erreichen. Einfacher ausgedrückt:es muss viermal Temperaturen erreichen das der Sonne .

Skizze des Designkonzepts von K-DEMO, einem möglichen zukünftigen Koreaner Tokamak Fusion Demonstrationsreaktor. Quelle: K Kim / Wikimedia

Dies geschieht traditionell durch magnetische Kompression oder hochfrequente Mikrowellen, aber die Energie, die zum Kickstart und zur Aufrechterhaltung der anfänglichen Reaktion benötigt wird, ist hoch. Theoretisch könnte sich ein Tokamak-Reaktor nach dem Kickstart vollständig selbst aufrechterhalten und weiterhin massive Mengen von erzeugenEnergie. Aber das ist noch nicht passiert - wir haben immer noch keine a positiver Netto-Tokamak-Fusionsreaktor . Aber wir kommen näher.

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Nachdem der Tokamak-Reaktor genug Energie erzeugt hat, um das Plasma zu erzeugen, erzeugt das Plasma selbst eine erhebliche Anzahl von Neutronen, die sich im Inneren des Reaktors zu drehen beginnen. Die Neutronen drehen sich schließlich zur Reaktorwand und erwärmen diese. Diese Wärmeaus den Neutronen kann Energie erzeugt werden, Wissenschaftler müssen jedoch auch verhindern, dass die Tokamak-Reaktoren überhitzen und schmelzen.

Der Prozess des Kühlens von Tokamak-Reaktoren ist ebenfalls ziemlich energieintensiv und erfordert ein kryogenes Kühlsystem unter Verwendung von Helium und flüssigem Wasserstoff. Obwohl gezeigt wurde, dass dieser gesamte Prozess funktioniert, reicht er immer noch nicht aus, um den Tokamak-Betrieb für mehr aufrechtzuerhaltenals 70 Sekunden, zumindest jetzt, was ein Rekord ist von der Koreanischer supraleitender Tokamak Advanced Research-Reaktor KSTAR, eingestellt 2016 .

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Die Zukunft der Kernfusion

Derzeit ist der größte Tokamak-Reaktor der Welt der ITER oder der International Thermonuclear Experimental Reactor, der in Frankreich gebaut wird. Der größte Teil soll 2021 fertiggestellt werden. Die Maschine soll eingeschaltet werden2025 und ist ein gemeinsames Programm der EU, Indiens, Chinas, Russlands, Japans, der Vereinigten Staaten und Südkoreas.

Wenn es fertiggestellt und online geschaltet ist, werden theoretisch 500 MW Energie erzeugt, was ausreichen sollte, um die Fusionsreaktion im Inneren zu starten und sich abzukühlen. Derzeit haben die Forscher keine Pläne, die überschüssige Wärme aus dem Reaktor zu nutzenStrom zu erzeugen, aber ein erfolgreicher Testlauf des ITER würde die Grundlage für eine nachhaltige Kernfusion weltweit legen.

VERBINDUNG: CHINA SCHALTET ENDLICH DEN KÜNSTLICHEN SONNENKERNREAKTOR EIN

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Wenn der ITER-Tokamak vollständig fertiggestellt ist, enthält er bis zu 3 Eiffeltürme, kann Plasma bei 150 Millionen Grad Celsius oder fünfmal mehr als der Kern der Sonne erzeugen und den Energieeinsatz verzehnfachenMit anderen Worten, ITER-Designer gehen davon aus, dass durch die Eingabe von 50 MW Energie in das System zum Start des Reaktors 500 MW erzeugt werden. Insbesondere das interne Volumen des ITER-Tokamaks ist rekordverdächtig. ITER selbst ,

"Der ITER Tokamak wird mit einem Plasmavolumen von 830 Kubikmetern der größte sein, der jemals gebaut wurde. Das maximale Plasmavolumen in Tokamaks, das heute betrieben wird, beträgt 100 Kubikmeter - erreicht sowohl im europäischen JET als auch im japanischen JT-60. ITERs riesiges Plasmavolumenwird es ermöglichen, zum ersten Mal ein "brennendes Plasma" zu erzeugen, bei dem der größte Teil der zur Aufrechterhaltung der Fusionsreaktion erforderlichen Erwärmung von den Alpha-Partikeln erzeugt wird, die während des Fusionsprozesses selbst erzeugt werden. Die Erzeugung und Kontrolle eines solchen Selbst-erhitztes Plasma ist seit mehr als 50 Jahren das Ziel der Magnetfusionsforschung. "

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Abgesehen vom ITER-Projekt werden derzeit zahlreiche Forschungsarbeiten zur Zukunft der Kernfusion durchgeführt.

Wann oder ob sich die Kernfusion als nachhaltig erwiesen hat Energieerzeugungsmethode Es wird völlig abfallfrei sein und ganze Städte mit nur einem Reaktor versorgen können. Schließlich ist es die Macht der Wahl von Iron Man.

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