Forschen für die
Energie der Zukunft

Wie man perfekte Fusionsbedingungen erzeugt

Plasmaphysiker kombinieren die drei Parameter Temperatur, Dichte und Zeit. Diese werden miteinander multipliziert und bilden das sogenannte Fusionsprodukt bzw. Tripelprodukt.

Hat der Wert des Tripelprodukts eine bestimmte Höhe ereicht – die Zündung – läuft die Reaktion autark ab: Die durch die Reaktion erzeugte Wärme reicht aus, um die hohe Temperatur des Plasmas zu halten. Die externen Heizsysteme können ausgeschaltet werden. Für die Deuterium-Tritium-Fusion beträgt dieser Wert etwa: nτT ≥ 5×1021 m-3 s KeV. JET hat nτT-Werte von über 1021 m-3 s KeV erreicht.

Temperatur

Deuterium-Tritium-Fusionsreaktionen erfordern Temperaturen von über 100 Millionen Grad. Um diese enormen Temperaturen zu erreichen, werden in Tokamaks in der Regel drei separate Heizsysteme verwendet, die jeweils eine Leistung von über 1 Million Watt an den Brennstoff abgeben können. Gemeinsam erzeugen sie die erforderliche Temperatur, damit Plasma entstehen kann und aufrechtgehalten wird. Die Hitze im Plasma ist die Voraussetzung für die erforderlichen energiereichen Kollisionen und damit für Fusionsprozesse.

Heizmethoden

Ohmsche Heizung

 

 

 

Neutralteilchen-Heizung

 

 

 

Hochfrequenzerwärmung


Dichte

Die Partikel eines 100 Millionen Grad heißen Plasmas bewegen sich extrem schnell. Würde man diesen Prozess sich selbst überlassen, würden sich diese Bestandteile bald so weit voneinander entfernen, dass Kollisionen äußerst unwahrscheinlich werden. Um sicherzustellen, dass es tatsächlich zu Kollisionen kommt, muss die Dichte des Plasmas hoch genug gehalten werden. Dies geschieht mit riesigen Elektromagneten die rund um das Plasmagefäß angebracht sind. Sie erzeugen ein Magnetfeld, das 10.000-mal stärker als das der Erde ist, und schließen das Plasma ein, sodass es kontinuierlich im ringförmigen Gefäß zirkuliert. Das Plasma darf allerdings auch nicht zu dicht sein. Denn dann würden Atomkerne mit Elektronen kollidieren und hohe Strahlung erzeugen. Diese als Bremsstrahlung bezeichnete Strahlung entzieht dem Plasma Energie und verhindert Fusionsreaktionen. Der optimale Dichtewert liegt bei etwa einem Millionstel der Atmosphäre.

 

 

 

10.000-mal stärker

Tokamak-Magnetfelder > Erdmagnetfeld


Einschlusszeit

80 % der Fusionsenergie wird auf die Neutronen übertragen, die die Plasmakammer verlassen, während die verbleibenden 20 % mit den Heliumkernen gebunden sind, die im Plasma verbleiben. Das gebildete Helium rast durch das Plasmagefäß, kollidiert dabei mit unverbrannten Brennstoffkernen, heizt diese auf und trägt so dazu bei, dass die externen Heizquellen reduziert werden können.

Wann dieser Zustand erreicht ist, hängt von der Dichte und der Temperatur des Plasmas ab. Die Zeitspanne, in der  Partikel im Plasma eingeschlossen sind, wird mit τ (griechischer Buchstabe Tau) bezeichnet. Derzeit typische Werte in JET liegen in der Größenordnung von einer Sekunde, in ITER sollen etwa vier Sekunden erzielt werden.

Einschlusszeit

Wird als τ (Tau) angegeben