Unsere Teile, die MAST U ENH PINI Grids für UKAEA sollen in am MAST-Reaktor verbaut werden.
Forscher im Südosten Englands haben den Mega AMP Spherical Tokamak (MAST), einen experimentellen Kernreaktor, der den Stand der Fusionsenergieforschung erheblich verbessern könnte, kostspielig aufgerüstet .
Der MAST-Reaktor befindet sich im Culham Centre for Fusion Energy , das seit Jahrzehnten als offizielles Fusionszentrum Großbritanniens forscht. Großbritannien sagt, sein Ziel für eine funktionierende Fusionsanlage sei 2040.
Hinweis: wir verwenden hier Informationen aus folgenden Quellen: wikipedia und UKAEA
Das MAST Fusion Experiment hat das Ziel “A Miniature Star on Earth” zu bauen, um eine Form der Energiegewinnung, die hocheffizient ist, zu erhalten:
Der Tokamak ist ein torusförmiger Typ eines Fusionsreaktors, der auf der Methode des magnetischen Plasmaeinschlusses beruht. Ein Plasma aus Wasserstoffisotopen in einem torusförmigen Gefäß wird durch ein starkes Magnetfeld zusammengehalten; dieses Feld wird – anders als im Stellarator – teilweise von einem im Plasma fließenden elektrischen Strom erzeugt. Die zurzeit (2019) leistungsfähigsten Anlagen zur Entwicklung der Fusionstechnik basieren auf dem Tokamak-Prinzip.
Das Wort ist die Transkription des russischen токамак, einer Abkürzung für „тороидальная камера в магнитных катушках“ (toroidalnaja kamera w magnitnych katuschkach, [tɔraiˈdalʲnaia ˈkamʲɛra v magˈnitnɨx kaˈtuʃkax]), übersetzt „Toroidale Kammer in Magnetspulen“. Zusätzlich bedeuten die ersten drei Buchstaben, ток, übersetzt „Strom“ und verweisen damit auf den Stromfluss im Plasma, die entscheidende Besonderheit dieses Einschlusskonzepts.
Diese Reaktorkonzepte beruhen auf der Technik des magnetischen Einschlusses. Wenige Gramm des Deuterium-Tritium-Gasgemisches werden in ein luftleeres, viele Kubikmeter großes, torusförmiges Behältnis eingebracht und auf 100 bis 150 Millionen Kelvin erhitzt. Bei diesen Temperaturen sind Elektronen und Atomkerne voneinander getrennt und bilden ein elektrisch leitendes Plasma. Um die torusförmige Plasmakammer sind supraleitende Elektromagnete angeordnet, die ein Magnetfeld von bis zu 10 Tesla Stärke erzeugen. Durch dieses Magnetfeld wird das Plasma in der Kammer so eingeschlossen, dass es die Wände nicht berührt. Bei einem Kontakt mit der Wand würde das Plasma sofort auskühlen und die Reaktion würde zusammenbrechen. Die Teilchendichte entspricht dabei einem technischen Vakuum. Die stark exotherme Kernreaktion erfolgt durch den Zusammenstoß der schnellen Atomkerne. Dabei werden energiereiche Neutronen freigesetzt. Die Neutronen geben ihre Energie im Blanket (Außenmantel) als Wärme ab, die zur Stromerzeugung genutzt werden soll.
Bei einer Kernfusion verschmelzen Atomkerne zu einem neuen Kern. Viele Kernreaktionen dieser Art setzen Energie frei. So stammt auch die von der Sonne abgestrahlte Energie aus Kernfusionsprozessen. In ihrem Zentrum verschmilzt Wasserstoff in der Proton-Proton-Reaktion sowie im CNO-Zyklus unter einem Druck von 200 Milliarden bar bei etwa 15 Millionen Kelvin zu Helium. Diese Prozesse sind jedoch wegen des extremen Drucks für eine Nutzung auf der Erde ungeeignet.
Damit es zwischen zwei Atomkernen zur Fusionsreaktion kommt, müssen sie einander sehr nahe kommen, auf etwa 2,5 Femtometer (siehe Starke Kernkraft). Dem steht die elektrische Abstoßung entgegen, die mit großem Energieaufwand (hoher Temperatur) überwunden werden muss. Die zu einer technischen Energiegewinnung geeigneten Fusionsreaktionen sind aus Untersuchungen mittels Teilchenbeschleunigern gut bekannt. Bei Beschleunigerexperimenten wird jedoch für den Betrieb der Apparatur viel mehr Energie aufgewendet, als die Reaktion dann freisetzt; ein Netto-Energiegewinn, also der Betrieb eines Kraftwerks, ist auf diese Weise nicht möglich.
Damit eine Kernfusion entsprechend der Einsteinschen Formel E = mc2 Materie in Energie umwandeln kann, muss die Masse der beiden fusionierenden Kerne zusammen größer sein als die Masse der entstehenden Kerne und Teilchen. Diese Massendifferenz wird in Energie umgewandelt. Besonders groß ist die Massendifferenz, wenn sich Helium‑4 aus Isotopen des Wasserstoffs bildet. Bei diesen ist zudem die vor der Fusion zu überwindende elektrische Abstoßung am kleinsten, weil sie nur je eine einzige Elementarladung tragen. Als Fusionsbrennstoff ist deshalb ein Gemisch aus gleichen Anteilen Deuterium (D) und Tritium (T) vorgesehen:
D + T → 4 H e + n + 17 , 6 M e V
Diese Reaktion zeichnet sich weiterhin durch einen – die Reaktionswahrscheinlichkeit charakterisierenden – Wirkungsquerschnitt aus, der schon bei technisch gerade noch erreichbaren Plasmatemperaturen ausreichend groß ist. Alle realistischen Konzepte für Fusionskraftwerke beruhen deshalb bis heute (2016) auf dieser Reaktion.
Mit der Entwicklung von Kernfusionsreaktoren erhofft man sich die Erschließung einer praktisch unerschöpflichen Energiequelle ohne das Risiko katastrophaler Störfälle[5] und ohne die Notwendigkeit der Endlagerung langlebiger radioaktiver Abfälle. Falls Kernfusionsreaktoren die technische Reife zur Stromerzeugung erreichen, ist ein erster kommerzieller Reaktor nach heutigem Erkenntnisstand nicht vor 2050 zu erwarten. Ein großtechnischer Einsatz ist im letzten Viertel des 21. Jahrhunderts absehbar, vorausgesetzt, die Technologie trifft auf Akzeptanz und ist wirtschaftlich. Über die Wirtschaftlichkeit kann heute (2020) keine Aussage gemacht werden. Die zukünftig regional geltenden Vor- und Nachteile gegenüber anderen Stromerzeugungsmethoden, die Reaktorbau- oder Importkosten, die Aufwendungen für Finanzierung, Betrieb, Rückbau und Entsorgung radioaktiver Abfälle sowie der dann gültige Strompreis sind nicht verlässlich prognostizierbar.
Die bisher aussichtsreichsten Konzepte für Fusionsreaktoren sehen vor, ein Deuterium-Tritium-Plasma in einem ringförmigen Magnetfeld einzuschließen und auf hinreichende Temperatur zu erhitzen. Um auf diese Weise einen Netto-Energiegewinn zu erreichen, muss das Plasmavolumen ausreichend groß sein (siehe A/V‑Verhältnis).
Um den Prozess in Gang zu bringen, werden in das viele Kubikmeter große, gut evakuierte Reaktionsgefäß einige Gramm eines Deuterium-Tritium-Gasgemischs (1:1) eingelassen; die Teilchendichte entspricht dann einem Fein- bis Hochvakuum. Das Gas wird durch Aufheizen in den Plasmazustand gebracht und weiter erhitzt. Das Plasma übt nach Erreichen der Zieltemperatur – im innersten Bereich des Plasmas rund 150 Millionen Kelvin – einen Druck von einigen Bar aus. Gegen diesen Druck muss das Magnetfeld die Teilchen zusammenhalten. Eine Berührung mit der Gefäßwand muss verhindert werden, da das Plasma sonst sofort auskühlen würde.
Bei einer Temperatur von ca. 150 Mio. Kelvin und einer Teilchendichte von ca. 1020 m−3 erfolgen Fusionsreaktionen. Die dadurch frei werdende Energie verteilt sich als Bewegungsenergie im Verhältnis 1:4 auf die gebildeten Alphateilchen (He-4-Kerne) und freien Neutronen (siehe Kinematik (Teilchenprozesse)). Die Energie der Alphateilchen verteilt sich weiter durch Stöße im Plasma und trägt zu seiner weiteren Heizung bei. Bei genügender Kernreaktionsrate (Anzahl der Reaktionen pro Zeitintervall) kann diese Energie ausreichen, um die Plasmatemperatur ohne weitere äußere Heizung aufrechtzuerhalten: Das Plasma hat dann „gezündet“ und „brennt“ von selbst. Dies tritt ein, wenn bei gegebener Temperatur das Tripelprodukt aus Teilchendichte, Temperatur und einer durch die unvermeidlichen Wärmeverluste bestimmten Zeitkonstanten, der Energieeinschlusszeit, gemäß dem Lawson-Kriterium einen bestimmten Mindestwert übersteigt.
Für einen Energie liefernden Reaktor muss dieser Punkt allerdings nicht erreicht werden. Auch bei etwas niedrigeren Temperaturen und ständiger Zusatzheizung laufen genügend Fusionsreaktionen ab (siehe Fusion mit Netto-Energiegewinn ohne Erreichen des Lawson-Kriteriums). Die Zusatzheizung bietet sogar eine willkommene Möglichkeit (zusätzlich zur Brennstoffnachfüllung), die Reaktionsrate, also die Reaktorleistung, zu steuern. Der erreichte Plasmazustand muss dauerhaft aufrechterhalten werden, indem neuer Brennstoff entsprechend dem Verbrauch nachgefüllt und das entstandene Helium – das Resultat der Fusion, die „Asche“ – abgeführt wird. Die freigesetzten Neutronen verlassen das Plasma; ihre Bewegungsenergie, vier Fünftel der Fusionsenergie, steht für die Nutzung zur Verfügung.
Von der Energieausbeute der Kernreaktion, pro Einzelreaktion 17,6 MeV, treten vier Fünftel, also 14,1 MeV, als Bewegungsenergie des freigesetzten Neutrons auf. Diese Neutronen werden vom Magnetfeld kaum beeinflusst und gelangen in das Blanket, wo sie zunächst durch Stöße ihre Energie als nutzbare Wärme abgeben und danach zum Erbrüten je eines Tritiumatoms dienen sollen. Die thermische Energie kann dann wie in jedem konventionellen Kraftwerk über Wärmetauscher Wasserdampf erzeugen, der wiederum Dampfturbinen mit angekoppelten Stromgeneratoren antreibt.
MAST Upgrade:
Ian Chapman, CEO von UKAEA, sagte: “MAST Upgrade wird uns der Bereitstellung nachhaltiger, sauberer Fusionsenergie näher bringen. Dieses Experiment wird neue Wege beschreiten und Technologien testen, die noch nie zuvor erprobt wurden. Es wird eine wichtige Testeinrichtung auf unserem Weg zur Lieferung der Energie sein.” STEP Fusionskraftwerk. ”
Er fügte hinzu: “MAST Upgrade stellt sicher, dass Großbritannien in der führenden Liga der an der Fusion arbeitenden Länder liegt — und wird für die Erreichung des Ziels der UKAEA, das STEP-Fusionskraftwerk zu bauen, von entscheidender Bedeutung sein.”
Bei der Fusionsenergie werden Wasserstoffpartikel in einem heißen Gas, dem sogenannten Plasma, verschmolzen, um große Energiemengen freizusetzen. Der Betrieb von Fusionstechnologien erfordert unter anderem einen sorgfältigen Spagat zwischen extremer Hitze, Gas und starken Magnetfeldern.
Laut UKAEA bestand eine der größten Herausforderungen in der Fusionsforschung darin, dem Plasma die überschüssige Wärmemenge zu entziehen. Die Wissenschaftler der UKAEA planen nun, bei MAST Upgrade ein neues Abgassystem namens Super-X-Divertor zu testen. Dieses System wurde entwickelt, um Plasma bei Temperaturen aus der Maschine zu leiten, die niedrig genug sind, damit die Materialien standhalten — was bedeutet, dass Komponenten viel länger halten können.
“Die ungefähre Verzehnfachung der Wärme, die an den Innenflächen der Maschine ankommt, kann die langfristige Lebensfähigkeit zukünftiger Fusionskraftwerke entscheidend verändern”, sagte UKAEA.
Das Projekt wurde vom Engineering & Physical Sciences Research Council, einem Teil von UK Research & Innovation und dem Department for Business, Energy & Industrial Strategy, finanziert.
Wissenschaftsministerin Amanda Solloway sagte: “Wir möchten, dass Großbritannien weltweit führend in der Fusionsenergie ist und sein erstaunliches Potenzial als saubere Energiequelle nutzt, das Hunderte von Jahren dauern kann. Unterstützt durch staatliche Mittel in Höhe von 55 Mio. GBP (71 Mio. USD) Das Einschalten des MAST-Upgrade-Geräts ist ein Meilenstein für dieses nationale Fusionsexperiment und bringt uns unserem Ziel, bis 2040 das erste Fusionskraftwerk Großbritanniens zu bauen, einen weiteren Schritt näher. ”
Die UKAEA entwirft STEP in einem ersten Programm in Höhe von 220 Mio. GBP, das von der britischen Regierung finanziert wird und auf dem sphärischen Tokamak-Fusionskonzept von MAST Upgrade basiert.
(Recherchiert und geschrieben von World Nuclear News)
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