Was hindert uns daran, einen Kernfusionsreaktor zu bauen, da wir bereits die Wasserstoffbombe haben, die nach dem gleichen Fusionsprinzip arbeitet?

Ich bin seit meiner Kindheit schon seit einiger Zeit nicht mehr in der Physik, also haben Sie bitte etwas Geduld, wenn sich die folgende Frage zu neu anfühlt.

Ich bin mit dem Verständnis aufgewachsen, dass die Kernfusionsreaktion immer noch ein Traum vieler Menschen ist, da sie eine saubere Energiequelle ohne die Nebenwirkungen von Atommüll ist, wie wir sie bei der Kernspaltung beobachten.

Kürzlich habe ich gerade das Prinzip überprüft, nach dem die Wasserstoffbombe funktioniert, und ich war schockiert, dass sie Kernfusion verwendet, um all diese Energie zu erzeugen. Dies widersprach meinem Verständnis, dass die Kernfusion kein Traum, sondern tatsächlich Realität ist.

Wenn wir also bereits Kernfusion erreicht haben, warum können wir daraus nicht einen Kernfusionsreaktor bauen, um all die Energie zu erzeugen, die wir brauchen? Warum können wir auch nicht die kleine Fusionsreaktion auf Jupiter haben (wie in meiner anderen Frage erwähnt ), die uns helfen kann, die äußeren Planeten des Sonnensystems zu übernehmen?

Außerdem wollte ich nur wissen, ob wir diese Fusionsreaktion fortsetzen können, um Edelmetalle zu erzeugen – ist das möglich?

Der Trick besteht darin, die Energie so zu extrahieren, dass Sie sie (und die Stadt, in der sie gebaut ist) mehr als einmal verwenden können.
Eine Bombe ist eine unkontrollierte, kurzzeitige, nicht anhaltende Reaktion. Ein Leistungsreaktor muss kontrollierbar, langfristig und nachhaltig reagieren. Die Herstellung von Elementen über Eisen wäre stark endotherm und nicht wirtschaftlich.
@BillN: Nicht unbedingt nachhaltig. Ich habe eine „Redneck-Fusionsreaktor“-Idee gesehen, bei der man unterirdisch Wasserstoffbomben zünden würde, um geothermische Energie zu erzeugen, die man dann konventionell nutzen würde. Sobald die Erde abgekühlt ist, entfernen Sie die Rohrleitungen, werfen eine weitere Bombe hinein, bohren den Schacht erneut und setzen die Rohrleitungen wieder ein.
Die Leute versuchen es; es ist die Grundidee hinter der Inertial Confinement Fusion
"Was hält uns davon ab, einen Kernfusionsreaktor zu bauen, da wir bereits eine Wasserstoffbombe haben, die nach demselben Fusionsprinzip arbeitet?" – Der „Bomben“-Teil.
Beachten Sie, dass Wasserstoffbomben oft nicht den größten Teil ihrer Energie durch Fusion erzeugen: Sie erzeugen auf diese Weise eine gute Menge davon, aber der Großteil ist oft Spaltung.
Deshalb können wir es nicht tun: img.memesuper.com/…
Wir könnten die Energie von thermonuklearen Sprengstoffen einfangen, indem wir eine große unterirdische Höhle graben, sie mit Wasser füllen, in der Mitte periodisch thermonukleare Sprengstoffe zur Detonation bringen und den entstehenden Dampf durch einen Wärmetauscher zu einer Turbine leiten. Aus verschiedenen guten Gründen wurde dies nie versucht.
" und ich war schockiert, dass es Kernfusion verwendet, um all diese Energie zu erzeugen " - eine Pedanterie beiseite: Ein erheblicher Teil der Energieausbeute von Bomben der Multi-Megatonnen-Klasse kann auf die schnelle Spaltung einer normalerweise nicht spaltbaren Uranhülle zurückzuführen sein durch den großen Neutronenfluss der Fusionsreaktion. Aus dem Wikipedia-Artikel „Thermonukleare Waffe“: „Der Brennstoff, der der Fusionsreaktion unterzogen wird, emittiert einen großen Neutronenfluss, der den U-238-Manipulator (oder das U-238-Bombengehäuse) bestrahlt, wodurch er eine Spaltungsreaktion durchläuft und etwa die Hälfte der Gesamtenergie."
Eine Bombe muss nur für eine Millisekunde funktionieren. Ein Reaktor muss Milliarden von Millisekunden lang arbeiten.
@RBarryYoung -- eine Milliarde Millisekunden sind weniger als zwei Wochen . Idealerweise möchten Sie, dass ein Reaktor einen guten Teil einer Billion Millisekunden hält .
@Malvolio Weshalb ich " Milliarden " Plural gesagt habe.
@RBarryYoung - wenn Sie ohne Einschränkung einen beliebigen Plural verwenden können, warum sagen Sie dann nicht einfach "Millisekunden"?

Antworten (3)

Das Beispiel einer Molotow-Bombe , ein Liebling der Anarchisten, und eines Automotors sind eine gute Analogie. Die Technologie, die benötigt wird, um die Energien in einer Fusionsreaktion einzudämmen, ist viel schwieriger als die, die für einen Automotor benötigt wird, da die MeV-Energien erforderlich sind, um die Fusion einzuleiten. Einmal ausgelöst, ist es explosiv, also muss es zu kleinen Explosionen verarbeitet werden, aus denen kontinuierlich Energie gewonnen werden kann.

Verschiedene Wege zur Steuerung der Fusion in einem heißen Plasma von schmelzbaren Materialien , hauptsächlich Wasserstoffisotopen, wurden vorgeschlagen und werden bearbeitet. Der Tokamak ist die Grundlage der internationalen Zusammenarbeit, die darauf abzielt, einen industriellen Prototypen, ITER, zu bauen. .

Es ist hauptsächlich ein technisches Problem, gekoppelt mit dem soziologischen Problem, dass so viele Ingenieure und Wissenschaftler in einem Projekt zusammenarbeiten, das von vielen Forschungsinstituten kontrolliert wird. ( "Zu viele Köche verderben den Brei")

Wollte auch nur wissen, ob wir diese Fusionsreaktion fortsetzen können, um Edelmetalle zu erzeugen, ist das möglich?

Schwermetalle sind für die Fusion auf der falschen Kurve, was bei Elementen bis hin zu Eisen oder so passieren kann. Jede spezifische Reaktion muss berücksichtigt werden, und es wird ein völlig anderes Problem sein.

Eine andere Analogie könnte der Solid Rocket Booster sein, der beim Space Shuttle verwendet wird, um das Space Shuttle in den Weltraum zu heben, im Vergleich zu ... einem Solid Rocket Booster an einem sehr schlechten Tag für kalte O-Ringe überall. Eine Reaktion hervorrufen zu können ist ganz klar einfacher als sie zu kontrollieren!
Eine andere Sache, die zu beachten ist, ist, dass wir die Kettenreaktion sehr genau kontrollieren müssen. Es wäre, als würde man versuchen, „ den Drachenschwanz zu kitzeln “, indem man nur C4-Explosionen verwendet, um das Experiment zu steuern.

Sie haben da mehrere Fragen, konzentrieren wir uns zunächst auf die Hauptfrage: Warum gibt es keinen funktionierenden Fusionsreaktor auf der Erde, während wir bereits die Wasserstoffbombe haben?

Dies ist eine interessante Frage, da viele Leute ähnliche Erwartungen hatten, als die erste Wasserstoffbombe, Ivy Mike , 1952 gezündet wurde. Sie hatten wahrscheinlich die erste Kernspaltungsbombe, Trinity , die 1945 gezündet wurde, und die erste (Proof-of-Principle ) Kernspaltungsreaktor in ihren Köpfen, der schon einige Jahre im Voraus kritisch wurde.

Direkt nach dem Zweiten Weltkrieg wurde in geheimen Labors (Großbritannien, USA, Sowjetunion) Fusionsforschung betrieben. Es wurde jedoch bald erkannt, dass die Nutzung der bei einer Fusionsreaktion freigesetzten Energie etwas komplizierter ist als zunächst angenommen, und 1955 trafen sich die an der Fusionsforschung beteiligten nationalen Labors zum ersten Mal zu einer internationalen Konferenz ( 1st UN Conference on Peaceful Use der Atomenergie ). Sie sahen, dass jeder ähnliche Probleme hatte, und deshalb wurde 1958 beschlossen, die Fusionsforschung freizugeben, was ziemlich bemerkenswert war - denken Sie an den Kalten Krieg.

Was sind nun die Hauptunterschiede zwischen einem Reaktor und einer Fusionsbombe? Im Prinzip hat anna v alles beantwortet. Bei einer Bombe kümmert man sich nicht wirklich um die Effizienz, man möchte nur, dass eine riesige Menge an Energie sofort freigesetzt wird. In einem Reaktor ist jedoch die Effizienz ziemlich wichtig. Werfen wir einen kurzen Blick auf den Fusionsprozess.

Um zwei leichte Kerne zu verschmelzen, müssen sie sehr nahe zusammenkommen, um die elektrostatische Abstoßungskraft zu überwinden. Erst wenn ihr Abstand in der Größenordnung ihres Radius liegt, setzt die starke Kraft ein und es bildet sich ein neuer Kern. Verschmelzt man erfolgreich zwei leichte Kerne, hat der entstehende Kern eine geringere Masse als die Summe der beiden ursprünglichen Kerne – die Differenz wird entsprechend als Energie freigesetzt E = m c 2 .

Um sie dicht zusammenzubringen, brauchen die Teilchen eine sehr hohe Geschwindigkeit. Höhere Teilchengeschwindigkeit bedeutet höhere Temperatur, und um einige Zahlen zu nennen, sind für die derzeit anvisierte Fusionsreaktion Deutium + Tritium Temperaturen in der Größenordnung von 150 Mio. °C erforderlich. Bei solch hohen Temperaturen wird Materie ionisiert und besteht hauptsächlich aus geladenen Teilchen und wird als Plasma bezeichnet . Das Erreichen dieser Temperatur ist kein Problem. Um zu verstehen, was die Probleme sind, schauen wir uns die Fusionsreaktion etwas genauer an.

Deutrium + Tritium → Helium + Neutron + Energie

In einem Reaktor dient die freigesetzte Energie zwei Zwecken: Strom zu erzeugen und die Fusionsreaktion am Laufen zu halten. Im Fusionsreaktorkonzept, das derzeit am vielversprechendsten erscheint, der Magnetic Confinement Fusionverwenden wir ein Magnetfeld, um das Plasma in einer Torusform einzuschließen. Da das Neutron nicht vom magnetischen Käfig beeinflusst wird, verlässt es einfach das Plasma und trifft auf die Wand (wodurch die Wand erhitzt wird und die Wärme dann zur Stromerzeugung verwendet werden kann). Die Helium-Kerne werden jedoch in ihrer Bewegung durch das Magnetfeld beeinflusst und wir brauchen es, um mehr Deuterium und Tritium auf Temperaturen zu erhitzen, die hoch genug sind, um mehr Fusionsreaktionen durchzuführen. Dies erfordert einen guten Einschluss, und es stellt sich heraus, dass es nicht so einfach ist, Partikel bei so hohen Temperaturen lange genug im Magnetkäfig zu halten. Zentraler Parameter ist hier die seit den 1950er Jahren stetig gestiegene Verweildauer, die aber immer noch etwas zu klein ist, um die Gewinnschwelle zu erreichen .

Break even ist hier definiert als der Punkt, an dem die freigesetzte Leistung (bei den Fusionsreaktionen) größer ist als die externe Heizleistung. Der Rekord wurde bei JET erzielt , dem derzeit größten Tokamak der Welt, der erzielte Wert war 0,6 . Ziel von ITER ist es, erstmals mehr Leistung als die anfängliche Heizleistung freizusetzen.

Der Hauptunterschied im Reaktor besteht also darin, dass wir einen anhaltenden Reaktionsprozess benötigen, bei dem die Energie der Reaktionsprodukte auf das Plasma übertragen werden muss, und dies kann nur erreicht werden, wenn wir eine ausreichend große Einschlusszeit haben.

Was die anderen Fragen betrifft, würde ich vorschlagen, sie in getrennten Fragen zu stellen.

Update 1 : Der Q -Wert, der das Verhältnis der freigesetzten Leistung zur extern zugeführten Heizleistung darstellt, soll in der letzten Betriebsphase von ITER 10 erreichen. Ein laufendes Kraftwerk wird wohl einen etwas höheren Wert haben, so um die 30. Wenn ich wieder zu Hause bin, werde ich meinen Referenzordner durchwühlen und schauen, ob ich dort etwas Genaueres finde.

Der erzielte Wert war 0,6 ... was ist der minimal gewünschte Wert? 1.0 ?
1,0 bedeutet, dass Sie so viel Energie aufwenden müssen, um den Reaktor am Laufen zu halten, wie er produziert, bevor das Containment zusammenbricht. Der minimal gewünschte Wert ist weit größer als 1,0; Schließlich müssen Sie nicht nur die Energiekosten für den Betrieb des Reaktors wieder hereinholen, sondern auch die Kosten für die Konstruktion und den Bau sowie die gesamte Forschung, die davor angefallen ist – und vergessen wir nicht die Kosten für die Zerstörung nach Beendigung des Reaktors nützliches Leben.
Ja bitte, ich möchte durch den ITER schauen Q Wert Projektionen.
@JörgWMittag Macht nichts, vielleicht einen kleinen Gewinn machen. Wirtschaft ist so lustig.

Pech. Im Falle der Spaltung gibt es eine Kettenreaktion oder zumindest einen leicht initiierbaren Prozess, den wir kontrollieren können. Um eine Kernreaktion auszulösen, sollte auf einfache Art und Weise eine Aktivierungsenergie in der Größenordnung von MeV erzeugt werden. Bei der Kernspaltung wird es dadurch gelöst, dass die Neutronen, die neutral sind, durch eine „Hintertür“ in die Kerne gelangen können.

Bei der Fusion gibt es diesen Trick nicht. Das könnte sein, aber dieses Mal sind die Naturgesetze einfach nicht auf unser Glück ausgelegt.

Wenn zum Beispiel die Halbwertszeit des Myons in der Größenordnung von läge 10 − 5 s Anstatt von 10 − 6 s könnten Myonen-katalysierte kalte Fusionskraftwerke bereits existieren. Ein 10-mal langsamer zerfallendes Myon hätte praktisch keine Auswirkungen auf das Universum (nach bestem derzeitigen Wissen).

Fusionsbomben arbeiten mit einer Spaltbombe als Initiator. Die analoge Lösung in der friedlichen Nukleartechnologie wäre die Verwendung einer gewöhnlichen Spaltkettenreaktion, um irgendwie die Deuteriumfusion zu katalysieren. Es funktioniert nicht, Neutronen können nichts zum Verschmelzen machen.

Keine Auswirkung auf das Universum, wirklich? Und was ist mit Wasserstoffwolken, die in der Lage wären, ohne extremen Druck und extreme Temperatur zu fusionieren?
@Ruslan Wenn die Myon-Halbwertszeit in der Größenordnung von liegen würde 10 − 5 s Anstatt von 10 − 6 s , es würde nichts ändern. Ich habe den Beitrag eingefügt. Es würde keine Wasserstoffwolke schmelzbar machen, weil nichts die Myonen in sie einfügen würde.
@Ruslan Außerdem funktioniert die Myon-katalysierte Fusion für Deuteronen, was im interstellaren Material (im Vergleich zu gewöhnlichem Wasserstoff) sehr selten ist.
@Ruslan Außerdem zeigen die Modelle des sehr frühen Universums, soweit ich weiß, dass unseres unserem aktuellen sehr ähnlich wäre, wenn die 2. und 3. Lepton/Quark-Generation nie existiert hätte. Das ist ein großes offenes Problem, niemand weiß wirklich, was diese Partikel sind. Sie scheinen vollkommen nutzlos.
Was hindert uns daran, einen Kernfusionsreaktor zu bauen, da wir bereits die Wasserstoffbombe haben, die nach dem gleichen Fusionsprinzip arbeitet?
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