Tokamaks und der Grund, warum sie immer noch nicht effizient sind

Nun, eine große Anzahl von Ländern hat sich nach der Gewinnschwelle ( eigentlich 60 % der Ausgangsenergie gegenüber der Eingangsenergie) des Tokamak-Prototyps in JET der Schaffung von ITER angeschlossen, einem Prototyp-Tokamak-Design, das für eine Ausgangsenergie in Megawatt ausgelegt ist.

Bei Interesse sollten Sie zu den FAQ des angegebenen Links für ITER gehen.

Es gibt alternative Projekte:

Von den "Magnetic Confinement Concepts" für die Fusion (hauptsächlich Tokamaks und Stellaratoren) besteht der Hauptvorteil von ITER und seiner Tokamak-Technologie darin, dass das Tokamak-Konzept derzeit bei weitem das fortschrittlichste zur Erzeugung von Fusionsenergie ist. Es ist folglich Pragmatismus, der die Wahl des Tokamak-Konzepts für ITER diktiert hat. Stellaratoren sind von Natur aus komplexer als Tokamaks (z. B. waren optimierte Designs vor dem Aufkommen von Supercomputern nicht möglich), aber sie können Vorteile bei der Betriebszuverlässigkeit haben. Der W7-X Stellarator, derzeit im Bau in Greifswald, Deutschland, wird ein gutes Benchmarking mit der Leistung vergleichbarer Tokamaks ermöglichen. Diese Ergebnisse werden in Entscheidungen darüber einfließen, wie DEMO, die Fusionsanlage der nächsten Generation nach ITER, aussehen wird.

Etwas ganz anderes sind die "Trägheitsfusionskonzepte". Diese Technologien wurden hauptsächlich zur Simulation von Nuklearexplosionen entwickelt und waren ursprünglich nicht zur Erzeugung von Fusionsenergie geplant. Das Trägheitsfusionskonzept hat bisher nicht gezeigt, dass es einen besseren oder kürzeren Weg zur Energieerzeugung bietet als der magnetische Einschluss. In Europa finanzieren die Euratom-Rahmenprogramme keine Forschung zur Trägheitsfusion, aber das Programm unterhält eine „Aufsicht“ über die Entwicklungen.

Die Effizienz in Tokamaks steigt mit der Größe, und deshalb ist ITER viel größer als JET.

Die Motivation für die Verfolgung der Fusion ist klar, aber es gibt derzeit mehrere große physikalische und technische Herausforderungen:

• Einschlusszeit : Ein betriebsbereiter Reaktor benötigt eine lange Energieeinschlusszeit,$\tau_E$. Es wurde festgestellt, dass ein empirisches Skalierungsgesetz für die Einschlusszeit von der Größe des Tokamaks abhängt$\tau_E \propto R^{2.04} a^{1.04}$, Wo$R$ist der Hauptradius und$a$ist der kleinere Radius des Tokamaks. Daher ist größer besser für die Haftzeit. Können wir ausreichend lange Einschlusszeiten für die Energieerzeugung schaffen?
• Edge Localized Modes (ELMs): Dies sind quasi-periodische Störungen aufgrund der Selbstorganisation des Plasmas. Sie geben große Wärmelasten an den Sicherheitsbehälter ab, verringern aber auch die Ansammlung von Verunreinigungen im Plasma. Können wir die ELM-Produktion kontrollieren?
• Überleben der Plasmakomponenten: Es besteht die Gefahr, dass der Reaktor bei längerer Laufzeit schmilzt oder erodiert. Können wir Material entwerfen, das einen längeren Neutronenbeschuss und die Einwirkung von freiem Plasma übersteht?
• Tritiumzüchtung: Tritium ist eine der Zutaten für Fusionsbrennstoff von Reaktoren der ersten Generation. Mit einer Halbwertszeit von 12 Jahren überlebt es in der Natur nicht sehr lange und muss im Labor frisch hergestellt werden. Können wir Tritium aus Fusionsneutronen und Lithium in situ züchten? Reaktoren der zweiten Generation werden nur Deuterium verbrennen, ein viel häufiger vorkommendes Isotop von Wasserstoff als Tritium.
• Rückkopplungskontrolle: Die Gebrüder Wright waren die ersten, die ein Starrflügelflugzeug flogen, teilweise weil sie eine neuartige Methode zur Steuerung ihres Flugzeugs einführten. Können wir clevere Steuerwerkzeuge und Algorithmen entwerfen, die Plasmainstabilitäten unterdrücken und kontrollieren und so einen stabilen „Flug“ des Reaktors ermöglichen?
• Kosten: Können wir einen solchen Fusionsreaktor bauen, der wirtschaftlich mit bestehenden erneuerbaren und nicht erneuerbaren Kraftwerken konkurriert ( ggf. unter Berücksichtigung der externen Kosten nicht erneuerbarer Energie)?

Es wurden viele Fortschritte erzielt, aber diese aktuellen Probleme müssen überwunden werden, bevor Tokamaks als Generatoren verwendet werden.

Um viel Energie aus einem Fusionsreaktor zu gewinnen, braucht man viele DT-Fusionsereignisse pro Sekunde, und das bedeutet eine Kombination aus relativ hoher Dichte und sehr hoher Temperatur. Dies ist außerordentlich schwierig zu erreichen. Insbesondere wenn man versucht, die Plasmadichte zu erhöhen, wird es immer schwieriger, das Plasma in einem stabilen Zustand zu halten.

Es wurden Studien zur Verwendung anderer Geometrien für die Magnetfelder durchgeführt, und diese können einfacher zu verwenden sein. Siehe diesen Artikel für Details oder Google für viele ähnliche Artikel. Es ist jedoch noch früh, und soweit ich weiß, hat niemand diese Art von Geometrie tatsächlich in einem Fusionsreaktor verwendet.

Ich persönlich denke, dass die Donut-Geometrie fehlerhaft ist. Eine eiförmige Geometrie wäre besser geeignet, da sich Energie natürlich mit den Temperaturunterschieden verwirbeln (Konvektion) will. HEIßE einen zentralen Wirbel hinunter und kühle am äußeren Rand ab. Heiße Ausdehnung zum Kühlen und kühles Zusammenziehen zum Erhitzen. Außerdem ahmt er ohne zentralen Fokuspunkt im Donut nicht die Realität der Sonnenoperation nach. Sicherlich sollten wir die Sonne assimilieren und kopieren. Ohne Zentrum gibt es keinen Ort, an dem sich die Energie konzentrieren kann, und keinen Schwerpunkt.