Magnetic Confinement Fusion – Wikipedia

Heißes Plasma, magnetisch in einem Tokamak eingeschlossen

Magnetic Confinement Fusion ist ein Ansatz zur Erzeugung von Kernfusionskraft, bei dem mithilfe von Magnetfeldern Fusionsbrennstoff in Form eines Plasmas eingeschlossen wird. Der magnetische Einschluss ist neben der Inertial-Confinement-Fusion einer von zwei Hauptzweigen der Fusionsenergieforschung. Der magnetische Ansatz begann in den 1940er Jahren und absorbierte den größten Teil der nachfolgenden Entwicklung.

Fusionsreaktionen kombinieren leichte Atomkerne wie Wasserstoff zu schwereren wie Helium und erzeugen Energie. Um die elektrostatische Abstoßung zwischen den Kernen zu überwinden, müssen sie eine Temperatur von mehreren zehn Millionen Grad haben, wodurch ein Plasma entsteht. Darüber hinaus muss das Plasma für eine ausreichende Zeit in einer ausreichenden Dichte enthalten sein, wie dies durch das Lawson-Kriterium (Dreifachprodukt) festgelegt ist.

Die Magnetic Confinement Fusion versucht, die elektrische Leitfähigkeit des Plasmas zu nutzen, um es durch Wechselwirkung mit Magnetfeldern einzudämmen. Der magnetische Druck gleicht den Plasmadruck aus. Die Entwicklung einer geeigneten Anordnung von Feldern, die den Kraftstoff ohne übermäßige Turbulenzen oder Undichtigkeiten enthalten, ist die primäre Herausforderung dieser Technologie.

Geschichte[edit]

Die Entwicklung der magnetischen Fusionsenergie (MFE) erfolgte in drei verschiedenen Phasen. In den 1950er Jahren glaubte man, dass MFE relativ einfach zu erreichen sein würde, was einen Wettlauf um den Bau einer geeigneten Maschine auslöste. In den späten 1950er Jahren war klar, dass Plasmaturbulenzen und Instabilitäten problematisch waren, und in den 1960er Jahren, den „Flauten“, wandten sich die Bemühungen einem besseren Verständnis der Plasmaphysik zu.

1968 erfand ein sowjetisches Team die Tokamak-Magneteinschlussvorrichtung, die eine zehnmal bessere Leistung als Alternativen zeigte und zum bevorzugten Ansatz wurde.

Der Bau einer 500-MW-Stromerzeugungsfusionsanlage mit diesem Entwurf, dem ITER, begann 2007 in Frankreich. Der jüngste Zeitplan sieht die Inbetriebnahme im Jahr 2025 vor.

Wenn Brennstoff in einen Fusionsreaktor eingespritzt wird, können starke „Schurken“ -Wellen erzeugt werden, die dazu führen können, dass er der Begrenzung entgeht. Diese Wellen können die Effizienz verringern oder sogar die Fusionsreaktion stoppen. Mathematische Modelle können die Wahrscheinlichkeit einer Schurkenwelle bestimmen und den genauen Winkel einer Gegenwelle berechnen, um sie aufzuheben.[1]

Magnetinseln sind Anomalien, bei denen sich Magnetfeldlinien vom Rest des Feldes trennen und eine Röhre bilden, durch die Kraftstoff entweichen kann. Das Vorhandensein großer magnetischer Inseln stört die Fusion. Das Einspritzen von gefrorenen Deuteriumpellets in das Kraftstoffgemisch kann genug Turbulenzen verursachen, um die Inseln zu zerstören.[1]

Magnetspiegel[edit]

Ein Hauptforschungsgebiet in den Anfangsjahren der Fusionsenergieforschung war der Magnetspiegel. Die meisten frühen Spiegelvorrichtungen versuchten, Plasma nahe dem Fokus eines nicht planaren Magnetfelds einzuschränken, das in einem Solenoid erzeugt wurde, wobei die Feldstärke an beiden Enden der Röhre zunahm. Um dem Einschlussbereich zu entkommen, mussten die Kerne in der Nähe jedes Magneten in einen kleinen ringförmigen Bereich eintreten. Es war bekannt, dass Kerne durch diesen Bereich entweichen würden, aber durch kontinuierliches Hinzufügen und Erhitzen von Brennstoff wurde das Gefühl, dass dies überwunden werden könnte.

Im Jahr 1954 hielt Edward Teller einen Vortrag, in dem er ein theoretisches Problem skizzierte, das darauf hindeutete, dass das Plasma auch schnell seitwärts durch die Begrenzungsfelder entweichen würde. Dies würde bei jeder Maschine mit konvexen Magnetfeldern auftreten, die in der Mitte des Spiegelbereichs vorhanden waren. Bestehende Maschinen hatten andere Probleme und es war nicht offensichtlich, ob dies auftrat. 1961 demonstrierte ein sowjetisches Team schlüssig, dass diese Instabilität der Flöte tatsächlich auftrat, und als ein US-Team angab, dieses Problem nicht zu sehen, untersuchten die Sowjets ihr Experiment und stellten fest, dass dies auf einen einfachen Instrumentierungsfehler zurückzuführen war.

Das sowjetische Team stellte auch eine mögliche Lösung in Form von „Ioffe Bars“ vor. Diese bogen das Plasma in eine neue Form, die an allen Stellen konkav war, um das Problem zu vermeiden, auf das Teller hingewiesen hatte. Dies zeigte eine deutliche Verbesserung der Begrenzung. Ein britisches Team führte dann eine einfachere Anordnung dieser Magnete ein, die sie „Tennisball“ nannten und die in den USA als „Baseball“ aufgenommen wurden. Mehrere Geräte der Baseball-Serie wurden getestet und zeigten eine deutlich verbesserte Leistung. Theoretische Berechnungen zeigten jedoch, dass die maximale Energiemenge, die sie erzeugen könnten, ungefähr der Energie entspricht, die zum Betreiben der Magnete benötigt wird. Als Stromerzeugungsmaschine schien der Spiegel eine Sackgasse zu sein.

In den 1970er Jahren wurde eine Lösung entwickelt. Durch Platzieren einer Baseballspule an beiden Enden eines großen Solenoids könnte die gesamte Baugruppe ein viel größeres Plasmavolumen aufnehmen und somit mehr Energie erzeugen. Es wurde geplant, ein großes Gerät dieses „Tandemspiegel“ -Designs zu bauen, das zur Mirror Fusion Test Facility (MFTF) wurde. Da dieses Layout, eine kleinere Maschine, noch nie zuvor ausprobiert wurde, wurde das Tandem Mirror Experiment (TMX) entwickelt, um dieses Layout zu testen. TMX zeigte eine neue Reihe von Problemen auf, die darauf hindeuteten, dass MFTF seine Leistungsziele nicht erreichen würde, und während des Baus wurde MFTF zu MFTF-B modifiziert. Aufgrund von Budgetkürzungen wurde es jedoch einen Tag nach Abschluss des Baus des MFTF eingemottet. Spiegel haben sich seitdem kaum weiterentwickelt.

Ringkernen[edit]

Konzept eines Ringkernfusionsreaktors

Z-Prise[edit]

Der erste wirkliche Versuch, einen Kontrollfusionsreaktor zu bauen, nutzte den Quetscheffekt in einem Ringbehälter. Ein großer Transformator, der den Behälter umhüllte, wurde verwendet, um einen Strom im Plasma im Inneren zu induzieren. Dieser Strom erzeugt ein Magnetfeld, das das Plasma in einen dünnen Ring drückt und es so „einklemmt“. Die Kombination von Joule’scher Erwärmung durch Strom und adiabatischer Erwärmung beim Einklemmen erhöht die Temperatur des Plasmas auf den erforderlichen Bereich im zweistelligen Millionen-Grad-Kelvin-Bereich.

Alle frühen Maschinen, die 1948 in Großbritannien gebaut wurden, gefolgt von einer Reihe immer größerer und leistungsfähigerer Maschinen in Großbritannien und den USA, waren starken Instabilitäten im Plasma ausgesetzt. Bemerkenswert unter ihnen war die Knickinstabilität, die dazu führte, dass der eingeklemmte Ring herumwirbelte und gegen die Wände des Behälters schlug, lange bevor er die erforderlichen Temperaturen erreichte. Das Konzept war jedoch so einfach, dass herkulische Anstrengungen unternommen wurden, um diese Probleme anzugehen.

Dies führte zu dem Konzept der „stabilisierten Quetschung“, bei dem externe Magnete hinzugefügt wurden, um „dem Plasma ein Rückgrat zu geben“, während es komprimiert wurde. Die größte derartige Maschine war der 1957 fertiggestellte britische ZETA-Reaktor, der offenbar erfolgreich eine Fusion herstellte. Nur wenige Monate nach seiner öffentlichen Bekanntgabe im Januar 1958 mussten diese Behauptungen zurückgezogen werden, als festgestellt wurde, dass die sichtbaren Neutronen durch neue Instabilitäten in der Plasmamasse erzeugt wurden. Weitere Studien zeigten, dass ein solches Design mit ähnlichen Problemen behaftet sein würde, und die Forschung unter Verwendung des Z-Pinch-Ansatzes endete weitgehend.

Stellaratoren[edit]

Ein früher Versuch, ein magnetisches Begrenzungssystem aufzubauen, war der Stellarator, der 1951 von Lyman Spitzer eingeführt wurde. Im Wesentlichen besteht der Stellarator aus einem Torus, der in zwei Hälften geschnitten und dann mit geraden „Crossover“ -Abschnitten wieder zusammengefügt wurde, um eine 8 zu bilden . Dies hat den Effekt, dass sich die Kerne von innen nach außen ausbreiten, wenn sie die Vorrichtung umkreisen, wodurch die Drift über die Achse aufgehoben wird, zumindest wenn die Kerne schnell genug umkreisen.

Nicht lange nach dem Bau der frühesten Figuren-8-Maschinen wurde festgestellt, dass der gleiche Effekt in einer vollständig kreisförmigen Anordnung erzielt werden konnte, indem auf beiden Seiten ein zweiter Satz spiralförmig gewickelter Magnete hinzugefügt wurde. Diese Anordnung erzeugte ein Feld, das sich nur teilweise in das Plasma hinein erstreckte, was sich als wesentlicher Vorteil der Zugabe von „Scherung“ erwies, die Turbulenzen im Plasma unterdrückte. Als jedoch größere Geräte auf diesem Modell gebaut wurden, wurde festgestellt, dass Plasma viel schneller als erwartet aus dem System austrat, viel schneller als ersetzt werden konnte.

Mitte der 1960er Jahre schien der Stellarator-Ansatz eine Sackgasse zu sein. Zusätzlich zu den Kraftstoffverlustproblemen wurde auch berechnet, dass eine auf diesem System basierende Stromerzeugungsmaschine enorm sein würde, der größte Teil von tausend Fuß lang. Als der Tokamak 1968 eingeführt wurde, verschwand das Interesse an dem Stellarator und das neueste Design an der Princeton University, das Modell C, wurde schließlich in den symmetrischen Tokamak umgewandelt.

Stellaratoren haben seit der Jahrtausendwende ein erneutes Interesse gesehen, da sie einige Probleme vermeiden, die später im Tokamak auftreten. Neuere Modelle wurden gebaut, aber diese bleiben ungefähr zwei Generationen hinter den neuesten Tokamak-Designs zurück.

Tokamaks[edit]

In den späten 1950er Jahren stellten sowjetische Forscher fest, dass die Knickinstabilität stark unterdrückt werden würde, wenn die Verdrehungen im Pfad so stark wären, dass sich ein Partikel schneller als um die Länge der Kammer um den Umfang des Innenraums der Kammer bewegte. Dies würde erfordern, dass der Quetschstrom reduziert und die externen Stabilisierungsmagnete viel stärker gemacht werden.

1968 wurde die russische Forschung zum toroidalen Tokamak erstmals öffentlich vorgestellt, mit Ergebnissen, die die bestehenden Bemühungen eines konkurrierenden Designs, ob magnetisch oder nicht, weit übertrafen. Seitdem basiert der Großteil der Anstrengungen zur magnetischen Begrenzung auf dem Tokamak-Prinzip. Im Tokamak wird periodisch ein Strom durch das Plasma selbst getrieben, wodurch ein Feld „um“ den Torus erzeugt wird, das sich mit dem Toroidfeld verbindet, um ein Wicklungsfeld zu erzeugen, das in gewisser Weise dem eines modernen Stellarators ähnlich ist, zumindest in dem sich die Kerne bewegen das Innere nach außen des Geräts, während sie um es herum fließen.

1991 wurde START in Culham, Großbritannien, als erster speziell gebauter kugelförmiger Tokamak gebaut. Dies war im Wesentlichen ein Sphäromak mit einem eingesetzten Mittelstab. START lieferte beeindruckende Ergebnisse mit β-Werten von ungefähr 40% – dreimal so viel wie damals von Standard-Tokamaks. Das Konzept wurde auf höhere Plasmaströme und größere Größen skaliert. Derzeit laufen die Experimente NSTX (USA), MAST (Großbritannien) und Globus-M (Russland). Sphärische Tokamaks haben im Vergleich zu herkömmlichen Tokamaks verbesserte Stabilitätseigenschaften, und als solche erhält der Bereich beträchtliche experimentelle Aufmerksamkeit. Bisherige kugelförmige Tokamaks befanden sich jedoch auf einem niedrigen Toroidfeld und sind daher für Fusionsneutronenvorrichtungen unpraktisch.

Kompakte Toroide[edit]

Kompakte Toroide, z. B. der Sphäromak und die feldumgekehrte Konfiguration, versuchen, die gute Begrenzung geschlossener magnetischer Oberflächenkonfigurationen mit der Einfachheit von Maschinen ohne zentralen Kern zu kombinieren. Ein frühes Experiment dieser Art[dubious ] in den 1970er Jahren war Trisops. (Trisops feuerten zwei Theta-Quetschringe aufeinander zu.)

Andere[edit]

Einige neuere Konfigurationen, die in Ringkernmaschinen hergestellt werden, sind die Umkehrfeldklemmung und das Levitierte Dipol-Experiment.

Die US-Marine hat in einer US-Patentanmeldung für 2018 auch ein „Plasma Compression Fusion Device“ beansprucht, das TW-Leistungsstufen erreichen kann:

„Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, eine Plasmakompressionsfusionsvorrichtung bereitzustellen, die Leistung im Gigawatt- bis Terawattbereich (und höher) mit Eingangsleistung im Kilowatt- bis Megawattbereich erzeugen kann.“
[2]

Magnetische Fusionsenergie[edit]

Alle diese Geräte hatten erhebliche Probleme bei der Skalierung und bei der Annäherung an das Lawson-Kriterium. Ein Forscher hat das Problem des magnetischen Einschlusses in einfachen Worten beschrieben und es mit dem Zusammendrücken eines Ballons verglichen – die Luft wird immer versuchen, woanders herauszuspringen. Turbulenzen im Plasma haben sich als ein Hauptproblem erwiesen, das dazu führt, dass das Plasma aus dem Einschlussbereich entweicht und möglicherweise die Wände des Behälters berührt. In diesem Fall wird ein Prozess namens „Sputtern„, werden massereiche Partikel aus dem Behälter (häufig Stahl und andere Metalle) in den Fusionsbrennstoff eingemischt, wodurch dessen Temperatur gesenkt wird.

1997 produzierten Wissenschaftler der Joint European Torus (JET) in Großbritannien 16 Megawatt Fusionsleistung. Wissenschaftler können nun ein gewisses Maß an Kontrolle über Plasmaturbulenzen und daraus resultierende Energieverluste ausüben, die lange Zeit als unvermeidbares und unlösbares Merkmal von Plasmen angesehen wurden. Es besteht ein erhöhter Optimismus, dass der Plasmadruck, über dem sich das Plasma zerlegt, jetzt groß genug gemacht werden kann, um eine für ein Kraftwerk akzeptable Fusionsreaktionsrate aufrechtzuerhalten.[3]Elektromagnetische Wellen können injiziert und gesteuert werden, um die Wege der Plasmapartikel zu manipulieren und dann die großen elektrischen Ströme zu erzeugen, die zur Erzeugung der Magnetfelder zur Begrenzung des Plasmas erforderlich sind.[citation needed] Diese und andere Steuerungsfähigkeiten sind auf Fortschritte beim grundlegenden Verständnis der Plasmawissenschaft in Bereichen wie Plasmaturbulenz, plasmamakroskopische Stabilität und Plasmawellenausbreitung zurückzuführen. Ein Großteil dieser Fortschritte wurde mit besonderem Schwerpunkt auf dem Tokamak erzielt.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Externe Links[edit]