Referat Physikreferat über Kernfusion, techn. Probleme der Kernfusion, Wasserstoffbombe und Vorgänge in Fixsternen

Physikreferat über Kernfusion, techn. Probleme der Kernfusion, Wasserstoffbombe und Vorgänge in Fixsternen

Kernfusion: (Stefan)

- Kernfusion ist das Gegenteil der Kernspaltung

- Fusion bedeutet das verschmelzen leichter Kerne zu schweren

- damit überhaupt eine Fusion zustande kommen kann, müssen die Teilchen

mit einer sehr hohen Geschwindigkeit aufeinander geschossen werden,

damit sie verschmelzen, um diese Geschwindigkeiten zu erreichen sind

Temperaturen von mehreren hundert Millionen Grad nötig, so daß die

Kernreaktionen mit einer ausreichenden Häufigkeit stattfinden

- so wird die Temperatur konstant gehalten, damit die Fusion selbsttragend

erfolgt und dem System Energie abgenommen werden kann

- die Energiegewinnung ist wesentlich höher als bei der Kernspaltung

(Tschernobil 1000MW Elektroenergie, Fusionsmodell 2500 MW

Elektroenergie)

- in erkennbarer Zukunft wird nur die Verschmelzung von Kernen der

Wasserstoffkerne

Deuterium   H und Tritium H zu Helium möglich sein.

- trotzdem würde dies reichen, um den Energiebedarf der Erde über

Jahrhunderte zu sichern. Und dann wird man sicherlich die Fusion von reinem

Deuterium oder sogar von gewöhnlichem Wasserstoff beherrschen.

(Bild Isotope & Fusion) (Dennis)

(Simon)

Isotope: die zu einem chem. Element gehörenden Atome gleicher Kernladung, aber verschiedener Masse. Sie unterscheiden sich dadurch, daß ihre Atomkerne die gleiche Anzahl von Protonen, aber eine verschiedene Anzahl von Neutronen enthalten.

Deuterium (D): hat ein Proton und Neutron im Kern, ist deshalb schwerer als Wasserstoff und wird schwerer Wasserstoff genannt

Tritium (T): wird künstlich durch Beschuß von Lithium mit Neutronen hergestellt, besitzt 1 Proton und 2 Neutronen im Kern, der Kern ist deshalb instabil und wird überschwerer Wasserstoff genannt

- die freiwerdene Energie fällt hauptsächlich als kinetische Energie der

gebildeten Neutronen und Wärmeenergie an.

- z.B. der Heizwert von dem in einem Liter Wasser enthaltenem Deuterium

entspricht der Energie, die bei der Verbrennung von 100 Litern Erdöl

anfällt.

- diese Kernfusionen finden z.B. im Inneren der Sonne statt, die für uns  

Sichtbare Strahlungsenergie wird aus diesem Vorgang gewonnen

(Dennis)

13 -3 -1

- das Produkt muß mindestens 6 * 10   cm s nach dem Lawsonkriterium

betragen, damit sich eine Kernfusion (auch thermonukleare Reaktion

genannt) energetisch selbst tragen kann. Um die Fusionsenergie friedlich

nutzen zu können, müssen jedoch

-14 -3 -1

höhere Werte von ca. 5 * 10 cm s angestrebt werden, damit ein

brauchbarer Energiegewinn zustande kommt.

- zur Erreichung dieser Ziele ist eine Beherrschung von extremen

Stoffzuständen notwendig, wie sie bisher nur aus kosmischen Verhältnissen

bekannt sind

techn. Probleme der Kernfusion:

- es gibt zwei Varianten, die als aussichtsreich gelten, um eine kontrollierte

Kernfusion durchzuführen:

1.) das Aufheizen einer Plasmaentladung unter magnetischer Halterung

2.) die Zündung von Brennstoffpillen mittels Laser- oder

Teilchenstrahlen bei Trägheitshaltung

(Stefan)

1.) Prinzip von Magnetfallen:

- die Grundidee dieser Variante besteht darin, das Plasma einer in

Mischungen von Deuterium und Tritium enthaltenen Gasenthaltung durch

Teilcheneinschuß auf höchste Temperaturen zu bringen

- das Plasma wird von den Gefäßwänden durch starke Magnetfelder isoliert.

- dies funktioniert, weil Ionen bzw. Elektronen des Plasma Magnetfeldlinien

ausreichender Stärke nicht kreuzen können. Deshalb umläuft das Plasma die

Feldlinien auf schraubenförmigen Bahnen

Plasma: Ein Gas, das aus freien Elektronen u. Ionen. Es kann kontrolliert auf extrem hohe Temperaturen gebracht werden. Bei diesen Temperaturen können Fusionsreaktionen ablaufen, die zu einer starken Energiefreisetzung führen

- bei den Magnetfallen unterscheidet man zwischen der linearen und der

toroidalen Anordnung:

a)  bei der linearen Magnetfalle ist das spindelförmige Plasma durch die Magnetfeldlinien eingeschlossen, die sich an den Enden des Gefäßes verdichten. Auf diese Weise bilden sich an den Enden des Gefäßes magnetische Spiegel aus, die die ankommenden geladenen Teilchen reflektieren.

(Bild: Magnetfallen) (Simon)

- leider beträgt die Einschlußzeit nur einige Mikrosekunden, weil zu viele

Plasmateilchen durch die löchrigen Magnetspiegel entkommen können.

b)  die ringförmig geschlossenen Plasmafallen erscheinen aussichtsreicher.

Von den verschiedenen Ausführungsformen hat sich der Tokamaktyp

durchgesetzt.

- das Plasma muß sich um die ringförmigen Magnetfeldlinien (Umlaufbahnen)

schlängeln, da es die anderen ringförmigen Magnetfeldlinien nicht kreuzen

kann

(Bild: Magnetfallen) (Simon)

- jedoch muß, um das Lawsonkriterium zu erfüllen, sowohl die Temperatur

als auch die Einschlußzeit deutlich gesteigert werden

(Bild: Fusionsreaktor) (Dennis)

Fusionsreaktor:

- solche Anlagen könnten dazu dienen, die kontrollierte Kernfusion zur

Energiegewinnung nutzbar zu machen !

- in dieser Anlage geht die Energie freisetzende Reaktion zwischen dem

Deuterium und Tritium bei einer Temperatur von 200 Millionen Grad in

einem Plasma vor sich.

- das Plasma wird von einem sehr intensiven Magnetfeld in einem

ringförmigen Volumen eingeschlossen, das Magnetfeld wird von Strom

erzeugt, der in einer Helium gekühlten Spule fließt (Kreislauf.3).

- ein Injektor sorgt für das Einbringen des frischen D-T - Gemisches und der

Separator sorgt für das Ausscheiden des Reaktionsproduktes Helium

(Kreislauf 1).

- der Abtransport der freigesetzten Energie erfolgt mit flüssigem

Lithiummetall. Diese Energie dient dann nach mehreren Stufen des

Wärmeaustausches zur Entwicklung von Dampf für die Turbogeneratoren.

Im Lithium wird durch Einfang der entstehenden Neutronen Tritium gebrütet,

deshalb muß dieses in der Natur nicht vorkommende Isotop nur beim

Anfahren der Anlage eingespeist werden (Kreislauf 2).

(Simon)

2.) Konzepte der gesteuerten Kernfusion mit Trägheitshalterung:

- das flüssige Brennstoffgemisch aus Deuterium & Tritium wird in einer kleinen

Glaskugel (max. 1mm Durchmesser) eingeschlossen

- die Glaskugel ist mit mehreren dicken Schichten überzogen (z.B. innere

Polymerschicht und einer äußeren Metallschicht), die nun auch nur wenige

Millimeter dick sind

- die überzogene Glaskugel wird auch Pellet genannt

- auf diese Kugel werden nun von allen Seiten gleichzeitig extrem starke

Impulse (Elektronenstrahlen) gerichtet, die eine enorme Aufheizung

innerhalb weniger Milliardstelsekunden bewirken

- das äußere Umhüllungsmaterial des Pellet verdampft nun explosionsartig,

dabei wird ein Rückstoß erzeugt, der mit dem Impulsdruck das innerer

Umhüllungsmaterial nach innen treibt

- dies hat eine extreme Kompression des Brennstoffes zur Folge

- das Pellet ist auf die mehrhundertfache Dichte komprimiert, dies ist von

einer gewaltigen Aufheizung begleitet

- nach den bisherigen experimentellen Untersuchungen sind Temperaturen

von

8

ca. 3*10 K erreichbar

(Bild: Trägheitshalterung) (Stefan)

(Dennis)

- diese thermonukleare Reaktion ist mit einer Miniwasserstoffbombe zu

vergleichen

- die Abmessungen der Pellets sind sehr wichtig, damit es nicht zu einer

Zerstörung der Anlage kommt

(Bild: Trägheitshalterung)

- ebenso wie bei der Tokamakvariante ist noch kein Durchbruch im Sinne

einer Fusionsreaktion geglückt, die mehr Energie freisetzt als zur

Einleitung verbraucht wird

Wasserstoffbombe:

Sonderart der Atombombe

- die Explosion entsteht durch Verschmelzung leichter Kerne (z.B.: Deuterium

und Lithium), bei der viel Energie in Form von Gamma-, Licht- und

Wärmestrahlung freigesetzt wird

- die erste Wasserstoffbombe wurde 1932 von den USA gezündet

- die Zündung einer Wasserstoffbombe erfolgt in mehreren Phasen :

Variante 1: Zweiphasenwasserstoffbombe

Detonation des Kernspaltungszünders

Darauffolgend Fusion von Deuterium von Tritium (bei ca. 50 Millionen Grad)

- im Unterschied zu Spaltungskernwaffen erzeugen Fusionkernwaffen

vergleichsweise wenig radioaktive Beiprodukte (saubere Bombe)

- die Größe der Wasserstoffbombe ist nach unten durch die Größe und

Explosionskraft des Zünders beschränkt, nach oben nicht:

Es kann praktisch unbegrenzt viel Fusionsmaterial zur Fusion gebracht werden.

- das Fusionsmaterial (Deuterium- Lithium-Verbindung) wird in fester Form

verwendet, da dies den technische Aufbau erheblich vereinfacht und sie zu

einer leicht zu handhabenden Waffe

Variante 2: Dreiphasenwasserstoffbombe

- sie besitzt einen, die Kernfusionsladung umschließenden, Mantel aus

spaltbaren Material, das zusätzliche Explosionsenergie unter Entstehung

radioaktiv verseuchender Spaltprodukte liefert

- dieser Effekt kann verstärkt werden, wenn der Mantel aus Material

besteht, das durch die Neutronenstrahlung bei der Explosion stark

radioaktive Isotope bildet.

(Stefan)

Variante 3: Kobalt

- sie ist eine spezielle Form der Dreiphasenbombe, bei ihr besteht der

Mantel

60 - aus normalem Kobalt, das zu dem radioaktiven Isotop Co umgewandelt

wird, das mit seiner Halbwertszeit von 5,3 Jahren als Gammastrahler

jahrzehntelange Verseuchung bewirkt (schmutzige Bombe)

- es ist nicht bekannt, ob solche, ohne Probleme herzustellende, Bomben

existieren.

allgemein:

- die Wirkung dieser Bomben ist so verheerend, daß das Gebiet später nicht

mehr genutzt werden kann (max. 150 km)

z.B. die Explosionswirkungen entsprechen mehreren Millionen Tonnen TNT

- das Potential der Weltmächte an Wasserstoffbomben ist so groß, daß sie

ausreichen, um die Bevölkerung des jeweiligen Gegners mehrfach zu

vernichten

(Dennis)

Vorgänge in Fixsternen:

Fixsterne:

Früher wurden Sterne, die sich nicht zu bewegen schienen als Fixsterne bezeichnet. Heute weiß man jedoch, daß sich alle Sterne bewegen, deshalb werden jetzt nur noch die Sterne, die sich so gut wie nicht bewegen als Fixsterne bezeichnet.

- ihre Strahlungsenergie beziehen sie aus der kontrollierten Kernfusion, die

leichter zu betreiben ist als in unserer Atmosphäre, da die extrem hohen Temperaturen besser erreicht werden können

- ein Beispiel ist die Sonne, der Wasserstoffvorrat reicht noch für mehrere

Milliarden Jahre