Unsere Teile, die MASTENH 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

MAST Fusion Exper­i­ment: A Minia­ture Star on Earth

Das MAST Fusion Exper­i­ment hat das Ziel “A Minia­ture Star on Earth” zu bauen, um eine Form der Energiegewin­nung, die hochef­fizient ist, zu erhalten:

https://www.youtube.com/watch?v=Yu9C5TEhAdQ

Toka­mak

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.

https://en.wikipedia.org/wiki/Tokamak

Ian Chap­man von UKAEA über das Pro­jekt der MAST Reaktoren

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)

Im Video erk­lärt: Kernfusionsreaktor
Eine Erk­lärung auf deutsch, was ein Kern­fu­sion­sreak­tor ist: https://www.youtube.com/watch?v=lj4IC70kDIU