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Wörterbuch

Generation IV Reaktoren und Fusion

Die Kraft der Sonne auf unsere Fingerspitzen - Fusion ist eine der Techno-fix Optionen für die nachhaltige Energiewirtschaft. Milliarden werden investiert, aber sind die Ergebnisse vielversprechend?

  • Kernfusion

    • Fusion ist eine Kernreaktion, die, wie der Name schon sagt, schmilzt zwei Atomkerne zu einem zusammen. Fusion ist die Reaktion, die in Sternen zu beobachten ist, einschließlich unserer Sonne, mit dem Ergebnis der Freilassung enorme Menge an Energie, die wir als Wärme und Licht erleben. Die meisten Fusion in unserer Sonne ist die Bildung von Helium (Atomgewicht 4) aus Wasserstoff (Atomgewicht 1). Allerdings gibt es zwei Isotope von Wasserstoff: Deuterium (Atomgewicht 2) und Tritium (Atomgewicht 3). Diese schwereren Isotopen sind in den Fusionsexperimenten verwendet.

      Die Physiker haben sehr viel Mühe und Geld in den Versuch investiert, Fusion eine tragfähige Energiequelle für die Erzeugung von Strom zu machen Das Hauptproblem ist nicht, wie die Fusion anzuzünden, sondern wie man die enorme Hitze sie erzeugt gehalten kann. Dies ist das Containment Problem.

      Viele Konstruktionen von Haltekammern werden vorgeschlagen. Das erste Tritium-Experiment: Die erste erfolgreiche kontrollierte Freisetzung von Fusionsenergie wurde im Jahr 1991, an der Joint European Torus-Anlage (JET), England.

      JET operations control room
      JET (Joint European Torus) Vorläufige Tritium Experiment, England. Im Jahr 1991 erzielte dieses Experiment die weltweit erste kontrollierte Freisetzung von Fusionsenergie.

      Aktuelle experimentelle Designs gehören die Tokamak und die Trägheitsfusion Laser. Diese Experimente produzieren noch nicht genug Energie, um wirtschaftlich rentabel zu sein.

      Ein Heliumkern hat eine geringere Masse als die zwei leichtere Kerne zusammen. Während der Fusion von Deuterium und Tritium zu einem Heliumatom, wird die fehlende Masse in Energie umgewandelt, gemäß Einsteins berühmter Gleichung: E = mc2

      Kernfusion
      Die Fusion von Deuterium und Tritium zu Helium gibt 17,6 MeV Energie frei

      Allerdings, für die Wasserstoffprotonen zu verbinden um einen Heliumkern zu bilden, erfordert die Uberwindung der elektrostatischen Kräfte (gleiche Ladungen abstoßen) zwischen der beiden positiven Protonen, so dass die stärke Kernkraft die beiden Proton zusammenhalten kann. Die starke Kernkraft ist viel mächtiger als die elektrostatischen Kräfte, sondern arbeitet nur über sehr kurze Entfernungen. Über diese effektive Reichweite, ist die elektrostatische Kraft dominant, und bildet eine Coulomb-Barriere.

      Daher wird eine große Menge an Energie benötigt, um Fusion zu bewirken. Diese Energie kann kinetische sein, wie durch einen Teilchenbeschleuniger erhalten. Oder es kann durch Wärme bereitgestellt werden. Die Wärme streift das einzelne Elektron vom Wasserstoffatom ab - Ionisierung. Die Wolke von Ionen, mit getrennten Elektronen, ist das Plasma genannt. Die Ionen sind steuerbar, weil sie positiv geladen sind. Indem man sie in einem Magnetfeld platziert, können sie positioniert und in Position gehalten werden, während sie unter Druck erhitzt werden.

      21H + 31H → 42He + 10ν

      Die Fusion von Deuterium und Tritium zu Helium gibt 17,6 MeV Energie frei.

  • Saubere und umweltverträglich Erweiterte Reactor

    • The Clean And Environmentally Safe Advanced Reactor, CAESAR, ist ein Reaktordesign immer noch in Entwicklung. LEU (niedrig-angereichtes Uran) wird den Reaktor 'anzünden', aber das U-238 als Hauptbrennstoff wird eine fissile-Kettenreaktion selbständig weiter treiben. Die Neutronen werden mittels einer Dampf Moderator gesteuert.

  • Thorium

    • Thorium (Z = 90) ist ein radioaktives Element der Aktiniden-Reihe. Es ist ein potentieller Brennstoff für Kernreaktoren.

      Thorium ist häufiger in der Erdkruste als Uran und wird in Monazit Ablagerungen gefunden. Monacite ist Thorium Diphosphat Th(PO4)2, und Thorium kann durch einen Prozess mit Salpetersäure gewonnen werden.

      Thorium-232 kann zum U-233 durch Beschuss mit Neutronen umgewandelt werden. U-233 könnte als spaltbarem Brennstoff zur Stromerzeugung genutzt. Technische Probleme haben bisher die Verwendung dieser Alternative zu U-235 verhinderte, aber Indien hat große Reserven von Thorium, und ein Programm um dieses Potential zu entwickeln.

      Die Verwendung von Thorium würde die Mengen gefährlicher radioaktiver Abfälle reduzieren, und die Erzeugung von Plutonium umgehen, die mit der Verwendung von angereichertem Uran problematisch ist.

      Thorium ist schwach radioaktiv und hat sieben natürlich vorkommenden Isotope, von denen alle sehr instabil sind, zu unterschiedliche Grade (Halbwertzeiten variieren von 25,5 Stunden für Th-231 bis 14 Milliarden Jahren für Th-232!). Th-232 ist bei weitem das häufigsten vorkommende Th-Isotop der Erdkruste. Es ist 3 bis 4 mal so reichlich als Uran.

      Es gibt ein großes Interesse an der Verwendung Thorium als Brennstoff für Kernreaktoren, vor allem in Indien, die keine Uranressourcen, aber reichlich Thorium besitzt.

      23290Th + 10n → 23390Th + γ    →β-   23391Pa     →β-   23292U

      Wann U-233 spaltet, gibt es Neutronen frei, die auf andere Thorium-232-Kerne treffen können, wodurch der Zerfall wieder von vorne anfängt. Der Zyklus ist ähnlich dem in schnellen Brutreaktoren, die hoch-spaltbarem Pu-239 von nicht-spaltbares U-238 produziert. Th-233 hat eine Halbwertszeit von 22 Minuten und zerfällt in Pa-233 (Halbwertszeit = 27 Tage), die auf U-233 (Halbwertszeit = 160.000 Jahre) beta-zerfällt. Ein Atom U-233 löst 197,9 MeV (3.171 × 10−11 ), or 19.09 TJ/mol = 81.95 TJ/kg, an Energie währen der Kernspaltung. Die Halbwertszeit von U-233 ist 160.000 Jahre, und es alpha-zerfällt zu TH-229.

      Thorium kommt häufiger als Uran vor und bietet eine nachhaltigerer Versorgung, vor allem weil das spaltbare U-233 kann aus natürlichem Thorium-Erz "gezüchtet" werden. Die meisten Reaktoren sind 'burner' (Brenner) Art, und ihre Brennstoff ist gereichtes natürlichen vorkommenden Uran.

      Thorium hat auch den Vorteil, dass sie mit U-238 gemischt wird, und hat daher keinen waffenfähiges Potential, die nicht den Fall mit U-235 ist. Es hat auch eine höhere Neutronenausbeute, erzeugt weniger langlebigen Transuranelementen, und allgemein erhöht die Leistungspotentiel der Reaktorkernen.

      Thorium muss mit Neutronen bestrahlt werden, bevor es als Brennstoff verwendet kann, und dies stellt größere technologischen Herausforderungen. Aus diesem Grund ist es immer noch nicht im Praxis verwendet.

      Thorium-232

      Ein Bericht der Indian Advanced Heavy Water Reactor (AHWR) Projekt, die Thorium-232 nutzt: BARC Bericht über das AHWR Entwicklungsprogramm

  • Fortgeschrittene Schwerwasser-Atomkraftreaktor

    • AHWR, Advanced Heavy Water Reactor (fortgeschrittene Schwerwasser-Atomkraftreaktor). Eine neue Generation Kernreaktor, dessen Entwicklung könnte zu Thorium-basierten Brennstoffzyklen bis die 2040er Jahre führen.

      Für einen Bericht über das Projekt Indian Advanced Heavy Water Reactor, entworfen um Thorium-232 zu verwenden: BARC Report on AHWR development programme