Fusion ved hjælp af magnetisk indeslutning

Varmt plasma i magnetisk felt i en tokamak

Fusion ved hjælp af magnetisk indeslutning er den mest forfulgte udviklingsvej til teknisk produktion af elektrisk energi fra kernefusion . Begreber til generering af kommercielt anvendelig elektrisk energi med en reaktor baseret på magnetisk indeslutning er også kendt som magnetisk fusionsenergi eller kort sagt MFE. Generelt anses måden til at generere fusionsenergi ved magnetisk indeslutning for at være mere avanceret og mere lovende end inertial fusion, hvilket også er blevet undersøgt .

I de projekter øjeblikket specifikt forfølges at fusionere lysere atomkerner i tungere, hydrogenet isotoper deuterium og tritium anvendes, der er omdannet til helium -4 (se også nuklear fusion reaktor ). En enkelt fusionsreaktion opstår, når en deuterium og en tritiumkerne kommer meget tæt på. På grund af den gensidige elektrostatiske frastødning af de positivt ladede kerner kan dette kun opnås med en meget høj kinetisk energi af reaktanterne i området fra 10 til 20 keV , hvilket svarer til temperaturer på omkring 100-250 millioner grader Celsius. Ved disse temperaturer adskilles atomkerner og elektroner fra hinanden og danner et plasma .

Et sådant plasma kan ikke lukkes i materialebeholdere, da hvis det rørte ved de kolde vægge, ville det straks køle ned så meget, at plasmatilstanden er afsluttet. En måde at begrænse et sådant varmt plasma på er at bruge magnetformede felter med passende form. Deres handling ( Lorentz-kraft ) på de bevægelige, ladede plasmapartikler kan holde dem væk fra karvæggen. Hvis man betragter plasmaet i dets magnetiske beholder som en væske , kompenseres dets udadrettede tryk for det indadrettede magnetfeltstryk (en formel aritmetisk variabel, der ikke klart kan forstås som mekanisk tryk). Det nødvendige plasmatryk i størrelsesordenen 1 bar kunne opretholdes i sekunder til minutter i tidligere eksperimenter.

Fra de mange mulige magnetfeltarrangementer er to begreber med toroidformet geometri fremkommet som de mest lovende: tokamak og stellator . Den største af disse eksperimenter er

• tokamak JET (i drift siden 1983), med hvilken der er skabt fusionskraft i megawatt-skala i kort tid,
• Heliotron LHD (i drift siden 1998),
• Wendelstein 7-X- stellatoren (i drift siden 2015), som formodes at opretholde et stabilt plasma med fusionsrelevante parametre i 30 minutter,
• tokamak ITER (byggeri startede i 2006, planlagt færdiggørelse 2025), hvormed det første fusionseffekt “nettet” (dvs. overstiger varmebehovet) skal genereres.

Alle tidligere forskningsindsatser er rettet mod at generere stabile plasmaer i det nævnte temperaturområde i længere tid. Bortset fra et par eksperimenter i TFTR ( Tokamak Fusion Test Reactor , USA) og JET-planter er der ikke brugt nogen deuterium-tritiumblanding, men almindeligt hydrogen eller i nogle tilfælde rent deuterium.

Plasmaindeslutning på grund af magnetfelter

Ladede partikler (elektron og proton) udfører en spiralformet bevægelse omkring en feltlinje i magnetfeltet.

Fusion med magnetisk indespærring er baseret på Lorentz-kraften . Dette holder de ladede plasmapartikler, elektroner og ioner i magnetfeltet på spiralformede stier. En sådan partikel bane kan forestille sig som en kombination af en bevægelse langs en magnetisk felt linje og - vinkelret på det - en cirkulær bevægelse omkring feltet linje (gyration).

Den enkleste magnetiske indespærring kan opnås med en lang solenoid . Magnetfeltet i en sådan spole er rettet parallelt med spoleaksen; det forhindrer tab af partikler i radial retning, men ikke langs aksen, dvs. ved spolens ender. Der er i det væsentlige to metoder til at undgå disse endelige tab. Med den ene prøver du at bygge magnetiske spejle ved spolens ender, med den anden bøjer du solenoiden til en vis grad for at danne en lukket ring ( torus ).

Magnetiske spejle

Et aktivt forskningsområde i de første år af fusionsforskning var magnetiske spejlindretninger (teknisk jargon: "spejlmaskiner"), da disse har store fordele i forhold til toroidformede arrangementer i praktiske og tekniske termer, f.eks. B. med hensyn til vedligeholdelsesarbejde og udskiftning af dele. De fleste af spejlmaskinerne designet forsøgte at begrænse plasmaet i enderne af spolen af ​​ikke-plane magnetfelter. Selvom det enkle spejl med sin flaskehalsformede forløb af feltlinierne ikke er tilstrækkelig til at holde det varme fusionsplasma på plads, kan det med yderligere magneter af mere eller mindre kompliceret form opnås, at feltlinierne stort set er bøjet tilbage inden i indeslutningsvolumen, så hurtige partikler også kan fremstilles forbliver låst. Af symmetriårsager er der imidlertid et punkt, der er permeabelt for partiklerne i enhver spejlkonfiguration. Dette betyder tydeligt, at der er en feltlinje, der ikke er lukket inde i skibet, men fører ud af indespærringsområdet. Selv avancerede designs (som i MFTF-eksperimentet) kan aldrig helt forhindre dette.

Toroidale arrangementer

I et rent toroidmagnetisk felt driver elektroner og ioner ud af indespærringsområdet på grund af den nødvendigvis inhomogene magnetfeltstyrke. Disse afdrift annullerer hinanden i et spiralformet snoet magnetfelt.

Et udelukkende toroidmagnetisk felt kan ikke omfatte ladede partikler på grund af gradient- og krumningsdrift (se figur): Med et toroidalt arrangement af spoler er magnetfeltstyrken nødvendigvis højere på indersiden, hvor spolerne er tættere på hinanden end på ydersiden . Elektronerne og ionerne udfører derfor ikke nøjagtigt cirkulære skruebevægelser omkring feltlinjerne, men krumningen af ​​deres skruebaner er noget smallere mod indersiden af ​​torus end udenfor. Partikelforløbene for elektroner og ioner driver derfor op og ned som vist i figuren. Den resulterende ladningsseparation skaber et lodret elektrisk felt. Dette elektriske felt fører sammen med magnetfeltet til en yderligere drift, som bringer partiklerne udad og ødelægger indespærringen.

Vejen ud er at bruge en poloid komponent i magnetfeltet ud over den toroidformede , således at magnetfeltlinjerne vindes spiralformet rundt om torussen. Plasmapartiklerne, der følger deres feltlinje, oplever således skiftevis en afdrift mod og væk fra plasmacentret, således at der generelt ikke finder nogen ladningsseparation sted.

Der skelnes mellem tokamak og stellator, hvordan den poloidale magnetfeltkomponent genereres: I tokamak er dette forårsaget af en induceret strøm, der strømmer i plasmaet (med ulemper for plasmastabiliteten), i tilfældet med stellatoren , især komplekse magnetiske spoler.

Et tidligt forsøg på at opbygge et system til magnetisk indespærring var den stellator, der blev udviklet af Lyman Spitzer i 1951 (fra den latinske stella "stjerne", som en hentydning til energiproduktion gennem kernefusion i stjerner). Dette bestod i det væsentlige af en torus opdelt i to halvringe, hvis halvdele var forbundet til at danne en figur otte af to lige, skærende rør. Resultatet af dette er, at partikler, der har migreret indefra og udad i løbet af kredsløbet gennem halvtallet, er igen indeni, når de kommer ind i den anden halvdel af de otte. I nyere stjernekoncepter opnås gennemsnittet af denne afdrift ved, at magnetfeltet får plasmaet til konstant at dreje rundt om sin egen akse efter midtercirklen.

I 1968 blev de russiske forskningsresultater på tokamak offentliggjort for første gang med resultater, der langt overskyggede alle tidligere konkurrerende fusionsreaktorkoncepter, hvad enten de var magnetiske eller ej. Siden da har tokamak-princippet været det mest anvendte koncept til magnetisk indespærring. I en tokamak oprettes et poloidalt felt af en strøm, der strømmer i plasmaet. Dette poloide felt, sammen med det toroide felt, der genereres af spoler, fører til vridning af feltlinjerne. I modsætning til stellatoren, hvor magnetfeltet har en tredimensionel struktur, er det i tokamak todimensionalt, dvs. H. den er rotationssymmetrisk omkring torusaksen.

Magnetisk fluxoverflade på en stellator, en konfiguration fra Wendelstein 7-X tjener som et eksempel. Inkorporeret er poloide tværsnit (Poincaré-plots) , der viser indlejrede fluxoverflader dannet af magnetfeltlinjerne, detaljer i teksten.

I det toroidformede kabinet danner de spiralformede snoede magnetfeltlinjer løglignende indlejrede magnetiske fluxoverflader omkring den centrale magnetiske akse. Da feltlinjer ikke kan krydse hinanden, kan der tildeles et fast twist ( rotationstransformation ) til hvert flodområde . Uden yderligere forstyrrelser vil en ladet partikel altid bevæge sig på den samme fluxoverflade, hvorpå den roterer toroidalt og poloidalt. Dette skaber en ligevægt mellem plasmapartiklerne på en flodoverflade gennem kollisioner, dvs. Dette betyder, at termodynamiske mængder kan tildeles dem på flodoverfladen, f.eks. B. en fælles temperatur og densitet og dermed et fælles tryk. Figuren viser et sådant flodområde i venstre del med nogle markerede feltlinjer. I tilfælde af en vist stellator har denne strømningsoverflade en tredimensionel struktur; i tilfælde af en tokamak ville den være kontinuerligt rotationssymmetrisk omkring torusaksen . Til højre og under vises tværsnit (Poincaré-plots), der repræsenterer skæringspunkterne for feltlinjer gennem et poloidt tværsnit. Man genkender den indlejrede struktur i de lukkede flodområder i indeslutningsområdet. Til højre for billedet er det beregnede Poincaré-plot for et poloidt plan med et bananformet tværsnit i en magnetisk konfiguration af Wendelstein 7-X . I nedenstående grafik kan du se de målte strømningsområder for Wendelstein 7-AS : Skæringspunkterne for feltlinjerne gennem et plan med - på dette tidspunkt - et mere trekantet tværsnit synliggøres af et fluorescerende medium i fly. Punkter vist i falske farver grøn og brun blev målt før og efter over 50.000 plasmaeksperimenter udført i løbet af 14 år og viser, at det modulære spolearrangement ikke blev ændret af disse belastninger.

Generelt kommer en plasmapartikel så tæt som ønsket på ethvert punkt på strømningsoverfladen, når den bevæger sig. Undtagelser er flodområder, hvor vridning ( rotationstransformation ) fører til, at feltlinjerne lukker sig ind efter nogle få omdrejninger. Sådanne ”rationelle fluxområder” er følsomme over for mindre magnetfeltforstyrrelser, hvilket kan føre til ølignende magnetfeltstrukturer, da de er markeret i illustrationen til højre ved kanten af ​​indeslutningsområdet. Sådanne faste eller dynamisk udviklende øer repræsenterer svage punkter eller huller i dette magnetiske bur og kan føre til tab af plasma.

Magnetfelterne til plasmaindeslutningen kræver stærke strømme (i størrelsesordenen 20 kA) i store spoler. Den nuværende styrke bestemmer det opnåelige plasmatryk. Et plasmatryk på flere bar skal opnås i et kraftværk ; dette kan opnås med spoler fremstillet af egnede superledere .

Nogle nyere konfigurationer af toroidemaskiner er "omvendt feltklemme" og "flydende dipoleksperiment".

Kompakt tori

Kompakt tori, f.eks. B. Spheromak og FRC (Field-Reversed Configuration) forsøger at kombinere de gode indeslutningsegenskaber ved lukkede magnetiske overflader med enkelheden ved maskiner uden en central spole.

Lawson-kriterium ikke opfyldt

Plasma-fysikudviklingsarbejdet forfølger grundlæggende målet om at nærme sig Lawson-kriteriet . Stacey kalder dette billedligt ” plasmaforskningens ” hellige gral ” ; et plasma ville ”brænde” i denne tilstand uden nogen ekstern energiforsyning.

Når man prøver at øge plasmadensiteten , temperaturen og energibegrænsningstiden for plasmaet i overensstemmelse hermed, får alle de nævnte begreber vanskeligheder. Nogle gange sammenlignes magnetisk indespærring med at forsøge at presse en ballon jævnt - luften gentager gentagne gange ballonen nye steder. Sådanne ustabiliteter spiller en vigtig rolle, fordi de kan få plasmaet til at bryde ud af indespærringsområdet og komme i kontakt med karvæggen. Når dette sker, blandes tunge partikler (f.eks. Kulstof eller jern) fra beholdervæggen (stål eller andre metaller), der er opløst (" forstøvning " eller forstøvning) med plasmaet og indstiller dets temperatur over emissionen af bremsestråling ned . Turbulens spiller en meget vigtig rolle : det fører til transport af partikler og energi ud af plasmaet, hvilket reducerer energiindeslutningstiden.

Der er gjort betydelige fremskridt siden 1990'erne, både med at bringe de tre værdier, der er involveret for partikeltæthed, temperatur og energi-inklusionstid, tættere på dem, der kræves til "brænding" af plasmaer, og i den videnskabelige forståelse af de involverede processer. I JET-eksperimenter kunne der opnås op til 16 megawatt fusionskraft i kort tid, og opførelsen af ​​heliumkernerne (alfapartikler) i svagt brændende plasmaer kunne undersøges.

Elektromagnetiske bølger kan injiceres i plasmaet og bruges til at påvirke banerne for plasmapartikler og drive strømme, der skaber magnetiske felter, der begrænser plasmaet. Disse og andre fund og fremskridt inden for plasmaforskning blev stort set opnået gennem eksperimenter med tokamaks.

Fusion med netto energiforøgelse uden at nå Lawson-kriteriet

Lawson-tilstanden er nødvendig for at atomvåben og inerti-fusionsreaktorer kan fungere. I tilfælde af magnetisk indeslutningskoncept behøver det ikke at blive opfyldt, for her er det muligt at fortsætte med at opvarme plasmaet, mens det leverer fusionsenergi. For en netto energiforøgelse er det kun nødvendigt, at den anvendelige fusionseffekt overstiger den leverede varmeeffekt; dette omtales undertiden i litteraturen - også for andre inklusionsmetoder - som videnskabelig break-even . Denne sag skal implementeres for første gang med ITER. Fusionseffekten kan relateres til den ekstra opvarmningseffekt i betydningen en forstærkningsfaktor : ${\ displaystyle Q_ {p}}$

${\ displaystyle Q_ {p} = {\ frac {\ mbox {Fusion power}} {\ mbox {ekstern varmekraft}}}}$.

Lawson-kriteriet opfyldt ville svare til . I anlægget blev JET nået i 1997 . er den førnævnte videnskabelige break-even . Den næste "milepæl" på denne udviklingsvej vil være teknisk break-even , dvs. en fusion, der overstiger hele kraftforbrugets egenforbrug, inklusive køling osv. Det, der er nødvendigt for en samlet økonomisk energiproduktion, vil sandsynligvis være over 10.${\ displaystyle Q_ {p} = \ infty}$${\ displaystyle Q_ {p} = 0 {,} 65}$${\ displaystyle Q_ {p} = 1}$${\ displaystyle Q_ {p}}$

ITER er designet til værdien ≈ 10. Meget højere værdier kan ikke opnås med teknologien fra ITER, fordi varmesystemerne der også er nødvendige for at kontrollere det iboende ustabile plasma. ${\ displaystyle Q_ {p}}$

Senere effektreaktorer vil sandsynligvis også være udformet på en sådan måde, at Lawson-kriteriet ikke er opfyldt, men snarere en svag yderligere opvarmning af for eksempel nogle få procent af fusionskraften er fortsat nødvendig for at bevare en ekstra kontrolmulighed.

litteratur

• Friedrich Wagner : På vej til fusionskraftværket - organiseret og selvorganiserende magnetisk indespærring . Physik Journal 8 (2009), nr. 8/9, s. 35-41
• Weston M. Stacey: Fusion. En introduktion til fysik og teknologi ved magnetisk indespærring fusion. Wiley-VCH, 2010, ISBN 978-3-527-40967-9 , begrænset forhåndsvisning i Google- bogsøgning .
• CM Braams og PE Stott: Nuclear Fusion. Et halvt århundrede med magnetisk indespærring fusionsforskning . IOP Publishing, Bristol 2002, ISBN 0-7503-0705-6 .

Weblinks

• EFDA-JET-websted
  • JET Billedgalleri
• Culham Center for Fusion Energy, CCFE
• Max Planck Institute for Plasma Physics
• Fysik af magnetisk begrænsede plasmaer (PDF; 2,1 MB)
• " General Atomics driver det San Diego-baserede DIII-D-anlæg "

svulme

1. ↑ Resonator Podcast fra Helmholtz Association : Tokamak and Stellarator (afsnit 30, 25. april 2015)
2. ↑ http://www.ipp.mpg.de/de/aktuelles/presse/pi/2015/12_15
3. ↑ M. Otte, R. Jaenicke: Målinger af magnetisk fluxoverflade ved Wendelstein W7-AS. (pdf; 3,2 MB) (Ikke længere tilgængelig online.) I: Stellarator News - Udgave 100 . James A. Rome på Oak Ridge National Laboratory, september 2005, s. 2-5 , arkiveret fra originalen den 14. juli 2016 ; adgang den 14. juli 2016 . Info: Arkivlinket blev indsat automatisk og er endnu ikke kontrolleret. Kontroller original- og arkivlinket i henhold til instruktionerne, og fjern derefter denne meddelelse. @ 1@ 2Skabelon: Webachiv / IABot / web.ornl.gov 
4. ↑ Dennis Whyte et al. ( MIT ): Mindre og hurtigere: Hvordan en ny generation af superledere kan fremskynde fusionens udvikling . Fusion Power Associates 2012, 31. årlige møde og symposium, Washington, DC, december 2012.
5. ↑ ^{a b c} Stacey, Fusion (se litteraturliste), side 9
6. ↑ M. Keilhacker, JET deuterium-tritium Resultater og deres konsekvenser, hjemmeside EUROfusion. Hentet 16. august 2016.
7. ↑ JS Brzosko ei al.: Kommentarer til muligheden for at opnå videnskabelig break-even med en plasmafokusmaskine. I: E. Panarella (red.): Aktuelle tendenser inden for international fusionsforskning , Plenum Press, 1997
8. ↑ SA Slutz et a.: Subignition fusion udbytter genereret ved hurtig opvarmning af komprimeret deuterium-tritium og break-even skalering. Physics of Plasmas Volume 11 (2004) side 3483, doi : 10.1063 / 1.1753574
9. ↑ J. Hiwatari et al.: Plasmaydelse, der kræves for, at en tokamak-reaktor genererer netto elektrisk kraft. Journal of Plasma and Fusion Research Volume 78, No.10 (2002) side 991, [1]
10. ^ J. Hiwatari et al.: Fremtidige break-even betingelser for Tokamak plasma ydeevne til fusionsenergiudvikling. Journal of Plasma and Fusion Research Volume 81, No.11 (2006) sider 903-916, [2]