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Die Suche nach sauberer, sicherer und kostengünstiger Energie ist heute eine große Aufgabe, da der Energiebedarf aufgrund der wachsenden Bevölkerung und des industriellen und wirtschaftlichen Aufschwungs in der Dritten Welt ständig steigt. Wir sind noch nicht sehr weit gekommen, aber einige Ziele sind bereits in Sicht. Eine davon könnte möglicherweise NUCLEAR FUSION sein.
Kernfusion
Die Kernenergie kann durch die Fusion zweier leichter Kerne zu einem schwereren freigesetzt werden.
Dies ist auf den Massendefekt zurückzuführen. Die Masse des Heliumkerns in Tabellenform ist die Summe von zwei Protonen und zwei Neutronen. ( 2*1,6726+2*1,6749)*10 g = 60695*10 g Die tatsächliche Masse der Heliumkerne beträgt jedoch 6,645*10 g. Das ist eine Differenz von etwa 8%. (Massendefekt) (siehe Bildseite (Bildseite ist eine britische Fernsehsendung, die vom BBC Television Service von 1936 bis 1939 ausgestrahlt wird, und wieder nach der Unterbrechung des Dienstes während des Zweiten Weltkriegs von 1946 bis 1952) ig. 1) Damit entspricht die Massendifferenz der bei der Fusion freigesetzten Energiemenge. Dieser Massendefekt ist am größten bei der Bildung von Helium 4 (Helium -4 ist ein nicht-radioaktives Isotop des Elements Helium ) uclei aus der Fusion von Deuterium und Tritium (17,6 Megaelektronenvolt).(siehe Bild 2) Für Elemente mit höheren Kernma
ssen ist die Fusion nicht mehr möglich, da der Ma
ssendefekt (Nuclear binding energy ist die Energie, die benötigt würde, um den Kern eines Atoms in seine Bestandteile zu zerlegen) umgekehrt ist.(
Aber aus diesen Elementen ist die Kernspaltung möglich).(siehe Bild Nr. 2) Die von den Sternen abgestrahlte Energie stammt aus solchen Fusionsreaktionen in ihnen. Die künstliche Kernfusion wurde erstmals in den 1930er Jahren durchgeführt, als ein Ziel, das Deuterium das Wasserstoffisotop mit der Masse 2 mit hochenergetischen Deuteriumkernen in einem Zyklotron beschossen wurde. (Ein Zyklotron ist eine Art Teilchenbeschleuniger, der 1934 von Ernest O. Lawrence erfunden wurde, bei dem geladene Teilchen vom Zentrum aus auf einer Spiralbahn nach außen beschleunigt werden. Bei den Atomtests in den USA , der ehemaligen Sowjetunion, Großbritannien und Frankreich wurden in den 1950er Jahren erstmals große Mengen an Fusionsenergie unkontrolliert freigesetzt. Eine so kurze und unkontrollierte Freisetzung kann jedoch nicht zur Stromerzeugung genutzt werden.
Bei Kernspaltungsreaktionen kann sich das Neutron, das keine elektrische Ladung hat, leicht nähern und mit einem spaltbaren Kern, z.B. Uran 235, reagieren (Uran-235 ist ein Isotop von Uran, das etwa 0,72% des natürlichen Urans ausmacht), aber bei Fusionsreaktionen haben beide Kerne eine positive elektrische Ladung und die elektrische Abstoßung (gleichmäßige Abstoßung) zwischen ihnen, die sogenannte Coulomb-Abstoßung, muss überwunden werden, bevor sie verschmelzen können. Dies wird möglich, wenn sich die beiden Nuklide 10 m nähern (Femtometer), (Das Femtometer ist eine SI-Einheit von 10-15 m Länge) denn nur dann überwiegt die innere Anziehungskraft der Kerne die Coulombabstoßung. (Das Coulomb’sche Gesetz, oder das Coulomb’sche Inverse-Quadrat-Gesetz, ist ein physikalisches Gesetz, das die Wechselwirkung zwischen statisch elektrisch geladenen Teilchen beschreibt. Bei dieser Temperatur findet die Fusionsreaktion in einem Gas statt, das aus den schweren Wasserstoffisotopen (Isotope sind Varianten eines bestimmten chemischen Elements, die sich in der Neutronenzahl unterscheiden), Euterium und Tritium besteht und etwa 17,6 MeV p freisetzt (In der Physik ist das Elektronenvolt eine Energieeinheit, die ungefähr Joule entspricht) er Fusionsprozess. Die Energie ist zunächst als kinetische Energie (In der Physik ist die kinetische Energie eines Objekts die Energie, die es aufgrund seiner Bewegung besitzt) der Helium -4-Kern und das Neutron, (Das Neutron ist ein subatomares Teilchen, Symbol oder, ohne elektrische Nettoladung und eine Masse, die etwas größer als die eines Protons ist), wird aber sofort als Wärme an das Gas und die umgebenden Materialien abgegeben. Ist der Druck des Gases ausreichend bei diesen Temperaturen reicht ein Druck von 105 Atmosphären, d.h. fast Vakuum, aus, kann das energiereiche Helium 4 (Helium ist ein chemisches Element mit Symbol He und Ordnungszahl 2) seine Energie auf das umgebende Wasserstoffgas übertragen, wodurch die hohe Temperatur erhalten bleibt und eine Kettenreaktion möglich ist: Dies wird dann als Kernzündung bezeichnet. Die grundlegenden Probleme bei der Schaffung von Fusionsbedingungen sind: (1) das Gas auf die erforderlichen hohen Temperaturen zu erwärmen; und (2) eine ausreichende Anzahl von reaktiven Kernen einzuschließen, die lang genug sind, um die Freisetzung von mehr Energie zu ermöglichen, als für die Erwärmung und Einschließung des Gases verbraucht wird. Weitere Probleme sind die Gewinnung dieser Energie und ihre Umwandlung in Strom. Bei Temperaturen über 100 000 °C sind alle Wasserstoffatome vollständig ionisiert. Das Gas besteht aus einer elektrisch neutralen Masse von positiv geladenen (Elektrische Ladung ist die physikalische Eigenschaft der Materie, die sie in einem elektromagnetischen Feld eine Kraft erfahren lässt) uclei a (Der Atomkern ist der kleine, dichte Bereich, der aus Protonen und Neutronen im Zentrum eines Atoms besteht und 1911 von Ernest Rutherford auf der Grundlage des Geiger-Marsden-Goldfolien-Experiments von 1909 entdeckt wurde) und negativ geladenen freien Elektronen. Bei 100 Millionen °C entspricht dies einer Teilchengeschwindigkeit von 1000 km pro Sekunde: Diese Geschwindigkeit ist notwendig, damit ein Kern die Abstoßung überwinden und verschmelzen kann.
Ein Plasma, das für die Fusion ausreichend heiß ist, kann nicht mit gewöhnlichen Materialien zusammengehalten werden.
Es würde sehr schnell abkühlen und die Behälterwände würden bei diesen Temperaturen verdunsten. Da das Plasma (Plasma ist einer der vier Grundzustände der Materie, die anderen sind fest, flüssig und gasförmig) aus geladenen Teilchen besteht, kann es durch ein Magnetfeld zusammengehalten werden. Wenn eine Fusionsanlage als Kraftwerk betrieben werden soll, muss die erzeugte Energie größer sein als die Energie, die zur Begrenzung und Erwärmung des Plasmas verwendet wird.
Diese Bedingung gilt als erfüllt, wenn das Produkt aus Einschlusszeit und Plasmadichte einen Wert von etwa 1014 überschreitet. Die Beziehung t n ³ 1014 wird als Lawson-Kriterium bezeichnet. Seit 1950 wurden zahlreiche Formen des magnetischen Einschlusses getestet. Thermonukleare Reaktionen wurden bereits beobachtet, aber die kontrollierte Energieerzeugung war nicht erfolgreich, da Lawsons Zahl selten über 1012 lag.
Ein Anlagentyp der sogenannte Tokamak, dessen Prototyp in der Sowjetunion entworfen wurde b (Die Sowjetunion, offiziell die Union der Sozialistischen Sowjetrepubliken war ein sozialistischer Staat in Eurasien, der von 1922 bis 1991 existierte) Igor Tamm (Igor Jewgenjewitsch Tamm war ein sowjetischer Physiker, der 1958 den Nobelpreis für Physik erhielt, gemeinsam mit Pawel Alexejewitsch Tscherenkow und Ilja Frank für ihre Entdeckung der Cherenkow-Strahlung 1934) und Andrej Sacharow (Andrej Dmitrijewitsch Sacharow war ein russischer Atomphysiker, sowjetischer Dissident, ein Aktivist für Abrüstung, Frieden und Menschenrechte ) hat seit den frühen 1960er Jahren ermutigende Ergebnisse erzielt.(siehe Bilder Nr. 4+5+6) Die Einschlusskammer des Tokamaks hat die Form eines Torus ((In der Geometrie ist ein Torus eine Rotationsfläche, die durch Drehen eines Kreises im dreidimensionalen Raum um eine mit dem Kreis koplanare Achse erzeugt wird) siehe Bild Nr. 7). Ein starkes, ringförmiges Magnetfeld wird durch große, leistungsstarke Elektromagnete in der Kammer erzeugt. Es ist etwa 100.000 mal stärker als das Erdmagnetfeld. (Das Erdmagnetfeld, auch geomagnetisches Feld genannt, ist das Magnetfeld, das sich vom Erdinneren in den Weltraum erstreckt, wo es auf den Sonnenwind trifft, einen Strom geladener Teilchen, der von der Sonne ausgeht. Ein Längsstrom von mehreren Millionen Ampere wird im Plasma durch Transformator (Ein Transformator ist ein elektrisches Gerät, das elektrische Energie zwischen zwei oder mehr Stromkreisen durch elektromagnetische Induktion überträgt) Öle induziert. Das resultierende Magnetfeld (Ein Magnetfeld ist die magnetische Wirkung von elektrischen Strömen und magnetischen Materialien) schließt die Plamsa ein. Nach dem erfolgreichen Betrieb von kleinen Tokamaks in mehreren Labors wurden Anfang der 1980er Jahre zwei große Anlagen gebaut, eine an der Princeton University (Princeton University ist eine private Forschungsuniversität der Ivy League in Princeton, New Jersey, USA ) in den USA und eine in der UdSSR. Im Tokamak werden die hohen Plasmatemperaturen durch die Erwärmung durch den Widerstand des sehr starken Ringstroms verursacht. In den neun großen Anlagen wird eine zusätzliche Erwärmung durch das Brennen von neutralen Strahlen erreicht, wodurch die Zündbedingungen geschaffen werden sollen. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Fusionsenergie ist die Trägheitseinschränkung. Bei dieser Technik ist der Brennstoff Tritium oder Deuterium in einer winzigen Tablette enthalten, die mit intensiven Laserstrahlen aus allen Richtungen beschossen wird. Dies führt zu einer Implosion der Tablette, die eine thermonukleare Reaktion auslöst und den Brennstoff entzündet. (siehe Bild Nr. 8) 1991 wurde im JET-Labor (JET = Joint European Torus) (JET, der Joint European Torus, ist das weltweit größte operationelle magnetische Einschlußplasmaphysik-Experiment, das im Culham Centre for Fusion Energy in Oxfordshire, UK) in England zum ersten Mal durchgeführt wurde, eine signifikante Energiemenge von etwa 1,7 Millionen Watt gewonnen. Im Dezember 1993 nutzten Forscher der Universität Princeton einen 5,6 Millionen Watt starken Tokamak-Fusionspilotreaktor für die kontrollierte Kernfusion. (In der Kernphysik ist die Kernfusion eine Reaktion, bei der zwei oder mehr Atomkerne nahe genug kommen, um einen oder mehrere verschiedene Atomkerne und subatomare Partikel zu bilden). Sowohl der JET als auch der Tokamak (A tokamak ist ein Gerät, das ein starkes Magnetfeld verwendet, um Plasma in Form eines Torus einzuschließen) usion Experimentalreaktor benötigte während des Betriebs mehr Energie als sie produzierten. Wenn die Fusionsenergie wirtschaftlich wird, bietet sie folgende Vorteile: (1) eine unbegrenzte Brennstoffversorgung in Form von Deuterium (Deuterium ist eines von zwei stabilen Wasserstoffisotopen) aus dem Meer, (2) Reaktorunfälle sind unwahrscheinlich, weil die Brennstoffmenge im System sehr gering ist, (3) und Abfallprodukte sind viel weniger radioaktiv und leichter zu handhaben als die aus der Kernspaltung (In der Kernphysik und Kernchemie ist die Kernspaltung entweder eine Kernreaktion oder ein radioaktiver Zerfallsprozess, bei dem der Kern eines Atoms in kleinere Teile zerfällt) Lanzen. Die Fortschritte in der Fusionsforschung sind vielversprechend, aber die Entwicklung brauchbarer Systeme (siehe Abb. 9) zumal die Forschung sehr kostenintensiv ist dürfte Jahrzehnte dauern.
Tritium(T (Tritium ist ein radioaktives Isotop von Wasserstoff) ): künstlich durch Beschuss von Lithium (Lithium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Li und der Ordnungszahl 3) mit Neutronen erzeugt wird, ein Proton (Ein Proton ist ein subatomares Teilchen, Symbol oder, mit einer positiven elektrischen Ladung von +1e Elementarladung und einer Masse etwas weniger als die eines Neutrons) und zwei Neutronen im Kern aufweist, der Kern daher instabil ist, und als superschwerer Wasserstoff bezeichnet wird (Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem chemischen Symbol H und der Ordnungszahl 1).