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Kernfusion interaktiv

Ein Zeitsprung in die Zukunft: Wir schreiben das Jahr 2050. Die "Technologie", mit der die Sterne über Milliarden von Jahren beständig Energie erzeugen, funktioniert nun auch in einem irdischen Kraftwerk. Zwei Wasserstoffkerne verschmelzen miteinander und setzen dabei große Mengen an Energie frei. Da Wasserstoff in rauen Mengen verfügbar ist, könnte die Menschheit über viele tausend Jahre ihre Energie aus diesem Rohstoff beziehen. Durch Starten der Simulation gelangt man in die Leitwarte des virtuellen Fusionsreaktors. Dort lässt sich die Kernfusion experimentell nachvollziehen!

Start der Kernfusion-Simulation

In dieser Szenerie hat man den Reaktor mit 200 kg Deuterium befüllt. Die Soll-Temperatur wurde erreicht, sodass die Kernfusion erfolgreich abläuft. Durch die gewonnene Energie können pro Jahr 2628 Haushalte versorgt werden.

Funktionsweise der Kernfusion-Simulation


Befüllen des Reaktors

Für die Kernfusion stehen folgende Elemente zur Wahl: 100 kg Deuterium und 150 kg Helium; 200 kg Deuterium; 100 kg Deuterium und 150 kg Tritium; sowie 200 kg Tritium.

Durch Klick auf den runden Button rechts neben dem gewünschten Atommodell wird der Reaktor befüllt.

Detailansicht der Kernfusion-Simulation: erster Kontrollmonitor

100 kg Deuterium und 150 kg Helium wurden in den Reaktor gefüllt. Die Solltemperatur ist noch nicht erreicht worden.

Plasmaheizung

Die Plasmaheizung lässt sich über die Schieberegler bedienen:

Ohmsche Heizung

Das Plasma ist elektrisch leitfähig. Deshalb lässt sich mithilfe eines Transformators Strom induzieren, der das Plasma aufheizt. Das ist eine elegante Methode, mit der sich aber noch nicht die Temperaturen erzielen lassen, die für eine Fusion benötigt werden.

Hochfrequenz- / Neutralteilchenheizung

Ist die Ohmsche Heizung ausgereizt, greifen diese zwei zusätzlichen Heizverfahren. Die beiden Methoden werden hier parallel eingesetzt. Die Wirkungsweise der Hochfrequenzheizung ähnelt der Küchenmikrowelle. Die Plasmateilchen lassen sich von außen durch eine elektromagnetische Welle mit passender Frequenz anregen. Die Neutralteilchenheizung schießt Teilchen mit einer Geschwindigkeit von 1000 Kilometern pro Stunde in das Plasma. Durch viele Zusammenstöße mit den Plasmateilchen erhöht sich die Temperatur des Plasmas.

Kontrollmonitore

Der linke Monitor zeigt das Verhalten des Fusions-Brennstoffs. Bei Erhöhung der Temperatur lässt sich eine deutliche Beschleunigung der Teilchen beobachten. Bei Erreichen der Soll-Temperatur zündet das Plasma und die Fusionsreaktion kommt in Gang. Die Ist-Temperatur kann über die Heizungsregler gesteuert werden.

Auf dem mittleren Monitor kann man sich die Fusionsreaktion im Detail anschauen. Die Anzeige unter diesem Monitor zeigt das Fusionsprodukt an.

Detailansicht der Kernfusion-Simulation: zweiter Kontrollmonitor

Der zweite Kontrollmonitor dokumentiert den Ablauf der Kernfusion: Deuterium und Tritium reagieren bei 120.000.000 K zu Helium 4.

Auf dem rechten Monitor lässt sich erkennen, ab wann das Kraftwerk Stromüberschuss generiert. Diese Anzeige gibt die Jahresleistung der gewählten Brennstoffkombinationen an. Jede Person in Deutschland verbraucht pro Jahr im Mittel 6,7 MWh; das entspricht 24,1 Gigajoule. Wenn wir einen Haushalt mit im Mittel drei Personen ansetzen, dann verbraucht ein Haushalt etwa 72 Gigajoule im Jahr an Elektrizität.

Wissenschaftliche Hintergründe zur Kernfusion

Wie für die Kernspaltung, gilt auch für die Kernfusion (Kernverschmelzung), dass unterschiedliche Atomkerne ineinander verwandelt werden.

Wenn man Kerne mit kleinem Gewicht zu einem schweren Kern verschmelzt, wird Energie frei. Bei Kernspaltung geht man genau den umgekehrten Weg und erhält aus einem schweren Kern zwei leichtere Kerne.

Bei der Kernspaltung wird ausgenutzt, dass die Bindungsenergie pro Nukleon bei den Elementen, die schwerer als Eisen sind, abnimmt. Im Gegensatz dazu spielen für die Kernfusion die Elemente mit einer kleinen Ordnungszahl die entscheidende Rolle. Bei ihnen steigt die Bindungsenergie pro Nukleon mit der Ordnungszahl an.

Detailansicht der Kernfusion-Simulation: dritter Kontrollmonitor

In diesem Beispiel hat man den Reaktor mit 200 kg Tritium befüllt. Durch die Kernfusion werden pro Jahr 94.608 Gigajoule produziert, das entspricht der Stromversorgung von 1314 Haushalten.

Bei der Fusionsreaktion zwischen den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium entstehen Helium und ein Neutron.

Zur Erzeugung einer Fusionsreaktion ist ein hoher Energieaufwand notwendig. Für die Verschmelzung von Wasserstoffisotopen ist zur Überwindung ihrer elektrostatischen Abstoßung einer Teilchenenergie von mindestens 0,28 MeV notwendig.

Energiebilanz

Findet eine Fusionsreaktion statt, wird eine enorme Menge an Energie frei. Das liegt daran, dass bei der Reaktion zwischen zwei Kernen Bindungsenergie frei wird. Dieses äußert sich in einem Massenverlust, der entsprechend Einsteins Formel (Äquivalenz von Masse und Energie) in Energie umgewandelt wird. Ein Deuterium- und ein Tritiumatom wiegen zusammen mehr als ein Heliumatom und ein Neutron.

Die freigesetzte Energie von einem Gramm verschmolzenen Deuterium und Tritium entspricht ungefähr der von 10.000 Litern Öl.

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