AR-Technologie Teil 4: Eintritt in den Tokamak

Tokamak ist ein toroidaler Behälter, der magnetischen Einschluss nutzt, um eine kontrollierte Kernfusion zu erreichen. Es wurde ursprünglich in den 1950er Jahren von Azimovich und anderen am Kurchatov-Institut in Moskau, Sowjetunion, erfunden. Im Zentrum des Tokamaks befindet sich eine ringförmige Vakuumkammer, um die Spulen gewickelt sind. Bei Stromzufuhr wird im Inneren des Tokamaks ein riesiges spiralförmiges Magnetfeld erzeugt, das das Plasma im Inneren auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt, um das Ziel der Kernfusion zu erreichen.

Warum wollen wir mit der Tokamak-Anlage eine Kernfusion erreichen? Unter Kernfusion versteht man den Vorgang, bei dem sich zwei Atomkerne aus kleinen Atomen, hauptsächlich Deuterium, gegenseitig anziehen und unter bestimmten Bedingungen (wie beispielsweise extrem hohen Temperaturen und hohem Druck) miteinander kollidieren, wodurch sich die Kerne zusammenballen und neue Atomkerne mit größerer Masse entstehen. Obwohl Neutronen eine relativ große Masse haben, sind sie ungeladen und können daher den Zwängen des Atomkerns entkommen und bei dieser Kollision freigesetzt werden. Durch die Freisetzung einer großen Zahl von Elektronen und Neutronen kommt es zu einer enormen Energiefreisetzung. Durch Kernfusion wird sichere, effiziente und saubere Energie freigesetzt. Darüber hinaus handelt es sich bei der Wasserstoffbombenexplosion, die Menschen derzeit erreichen können, um eine unkontrollierte Kernfusion, und die Tokamak-Anlage ist derzeit unser gängiger Weg, eine kontrollierte Kernfusion zu erreichen.

Das Tokamak-Gerät besteht aus vier Schlüsselkomponenten, nämlich den internen und externen Kälteschilden. Die Funktion der inneren und äußeren Kälteschilde besteht darin, die Wärmebelastung des supraleitenden Magneten von EAST effektiv zu reduzieren. Die internen und externen 80K-Kälteschilde werden zwischen dem supraleitenden Magneten und der Vakuumkammer sowie zwischen der supraleitenden Basis und dem externen Vakuum-Dewargefäß angebracht. Die Kälteschilde werden mit flüssigem Stickstoff oder flüssigem Ammoniak gekühlt. Auf der einen Seite von EAST befindet sich 100 Millionen Grad heißes Plasma, auf der anderen Seite eine supraleitende Spule, die auf eine extrem niedrige Temperatur von minus 269 Grad gekühlt wird. Die kürzeste Luftlinienentfernung zwischen beiden beträgt lediglich 1,2 Meter. Um diesen Widerspruch aufzulösen, verfügt EAST auf beiden Seiten über Kälteschilde, die mithilfe einer Vakuumisolierung die Wärme von den supraleitenden Spulen, dem inneren isotropen Körper und der äußeren Atmosphäre isolieren.

Supraleitende Poloidfeldspulen bestehen aus einer zentralen Spiralröhre und einer dazu passenden großen Spule, die symmetrisch nach oben und unten verteilt sind. Die Spulen verwenden ein CICC-Leiterdesignschema, das supraleitende Material ist NbTi und sie werden durch einen überkritischen 4,5 K-Ammoniak-Zwangsfluss gekühlt.

Supraleitende Längsfeldspule. Die supraleitende Längsfeldspule besteht aus sechzehn D-förmigen Spulen, die gleichmäßig in toroidaler Richtung verteilt sind. Das System kann im Zentrum des Plasmas ein toroidales Feld von 3,5 T erzeugen und seine Gesamtamperewindungszahl beträgt 30 MAT.

Der äußere Vakuum-Dewar ist eine tonnenförmige Struktur, die in drei Teile unterteilt ist: die Kuppelabdeckung, den mittleren Ringkörper und die Basis. Der externe Vakuum-Dewar stellt hauptsächlich eine Vakuumumgebung für Komponenten wie die Poloidalfeld- und Längsfeld-Vakuumkammern bereit und isoliert den von der externen Umgebung erzeugten Wärmeaustausch mit diesen großen Komponenten. Gleichzeitig trägt es die Belastungen, die durch die großen Komponenten des Geräts entstehen. Der Dewar ist die äußerste Schicht der Haupteinheit, die andere interne Komponenten in einer Vakuumumgebung abdichtet. Wenn EAST in Betrieb ist, kann der Luftdruck im Inneren der Haupteinheit nur ein Hundertmillionstel des Luftdrucks betragen.

Mit der kontinuierlichen Entwicklung von Wissenschaft und Technologie haben Wissenschaftler festgestellt, dass die experimentelle Forschung auch eine Vielzahl von Modellen zur Verbesserung der Eingrenzung hervorgebracht hat. Basierend auf diesen Modellen kann die wirtschaftliche Leistung von Tokamak-Kernfusionsreaktoren weiter verbessert werden. Auf Grundlage der bedeutenden Fortschritte, die in den vergangenen 50 Jahren in der Plasmatheorie, der physikalischen Experimentalforschung und der Ingenieurtechnologie erzielt wurden, ist das Projekt Internationaler Thermonuklearer Versuchsreaktor (ITER), ein riesiges internationales Kooperationsprojekt mit sieben beteiligten Parteien, in die Phase der technischen Konstruktion eingetreten.

Auch in Zukunft wird Tokamak im Bereich der Kernfusion den Menschen sicherere, sauberere und effizientere Energie liefern.