Kick It Like Einstein: Fusionsforschung am JET in England

Zündspannung

Kick It Like Einstein Bei unserer Forschungsreise durch die WM-Länder machen wir heute Stop in England – genauer gesagt im Culham Science Centre in Oxfordshire im Süden Englands. Hier steht der Forschungsreaktor JET: der Joint European Torus, die momentan größte Fusionsforschungsanlage Europas [1].

JET in spring - EFDA-JET www.jet.efda.org
Foto: EFDA-JET

JET ist ein Tokamak, das heißt, das Plasma wird durch Magnetfelder in einem Torus-förmigen Gefäß eingeschlossen. Im Fall von JET hat dieses Gefäß einen Durchmesser von knapp 3 Metern, so dass 100 Kubikmeter Plasma eingeschlossen werden können [2]. Dafür wird ein Magnetfeld von 3.5 T benötigt, das ist etwa eine Millionen Mal so stark wie das Magnetfeld der Erde.

 

JET plasma vessel
Foto: EFDA-JET

Das Bild zeigt einen Blick in die Plasmakammer von JET. Rechts ist ein Infrarot-Bild eines Plasmas überlagert.

Bei der Fusion werden zwei leichte Atomkerne zu einem etwas schwereren verschmolzen. Dabei wird Bindungsenergie frei, die man verwenden kann, um letztendlich Strom zu produzieren. Damit die beiden Ursprungsatome verschmelzen können, müssen ihre Kerne sich sehr nahe kommen. Dies wird aber durch die elektrische Abstoßung (die Coulomb-Barriere) bei normalen Temperaturen verhindert, schließlich sind alle Protonen positiv geladen. Darum muss die Temperatur sehr hoch sein, so dass die Bewegunsenergie der Atome ausreicht.

Bei Wasserstoff-Atomen ist die Coulombbarriere besonders niedrig, deshalb wird in Fusionsreaktoren bevorzugt dieses Element verwendet. Nun gibt es aber kein stabiles Atom, das aus zwei Protonen und keinen Neutronen besteht. Aus diesem Grund wird als "Treibstoff" der Fusionsreaktoren ein Plasma aus Deuterium und Tritium vorgeschlagen. Diese beiden Stoffe sind Isotope des Wasserstoff, d.h., sie besitzen beide je ein Proton und ein Elektron, aber zusätzlich noch eins (Deuterium) bzw. zwei (Tritium) Neutronen im Kern. Wenn sie miteinander verschmelzen, entsteht das stabile Helium und ein zusätzliches freies Neutron [3].

D-T-Fusion
Deuterium-Tritium Fusion (Wykis, wikimedia)

JET ist dabei im Moment weltweit der einzige große Fusionsreaktor, der für Deuterium-Tritium-Fusion ausgerüstet ist. Er erreicht Temperaturen um 100 Millionen Grad, was für die Fusion ausreichend ist. So wurden zum Beispiel 5 MW an Fusionsleistung für 5 s produziert. Es können auch höhere Leistungen erreicht werden, typischerweise um 15-20 MW, aber nur für einen kurzen Zeitraum, um 1 s. In beiden Experimenttypen wird mit etwa 20 MW geheizt, also noch mehr Energie in den Prozess gesteckt als herauskommt [1]. Dies soll mit dem nächsten Fusions-Forschungsreaktor, ITER, geändert werden – aber das ist eine Geschichte für ein anderes Mal und ein anderes Land.

Quellen:
[1] http://www.jet.efda.org
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Joint_European_Torus
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion

Mierk Schwabe

Veröffentlicht von

Erhöht man die Spannung zwischen zwei Elektroden, die ein Gas umgeben, beginnt das Gas irgendwann zu leuchten: Freie Elektronen im Gas haben genug Energie, um die Gasteilchen zu ionisieren und noch mehr Elektronen aus den Atomen zu schlagen. Ein Plasma wurde gezündet, die Zündspannung ist erreicht. Gibt man nun noch zusätzlich Mikrometer große Teilchen in das Plasma, erhält man ein sogenanntes "Komplexes Plasma", mit dem ich mich zunächst als Doktorand und Post-Doc am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und nun an der University of California in Berkeley beschäftige. In diesem Blog möchte ich sowie ein wenig Einblick in den Alltag im Forschungsinstitut bieten, als auch über den (Plasma)-Rand hinaus blicken. Mierk Schwabe

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