Die ultimative Energie, die der Mensch anstrebt, ist in dieser furchterregenden Waffe verborgen

Angesichts der großen wissenschaftlichen und technologischen Fortschritte, die Chinas neue Generation künstlicher Sonnensysteme wie „China Tollux 3“ erzielt hat, und einiger Ereignisse im Zusammenhang mit der Nukleartechnologie haben in letzter Zeit viele Menschen begonnen, sich für die „ultimative Energietechnologie“ der Menschheit zu interessieren: die kontrollierte Kernfusion.

Viele Menschen fragen sich, warum die Kernfusion als die „ultimative Energietechnologie“ der Menschheit bezeichnet wird. Was ist die Geschichte der Entwicklung der Kernfusion? Warum ist die kontrollierte Kernfusion so schwer zu kontrollieren? In welchem ​​Ausmaß muss die Kernfusion erreicht werden, um das Energieproblem wirklich zu lösen? Lassen Sie uns im Folgenden über diese Probleme sprechen.

Kuzkas Mutter

Bei der Generalversammlung der Vereinten Nationen im Jahr 1960 versprach Chruschtschow den Vereinigten Staaten, dass er den Amerikanern erlauben würde, „Kuskas Mutter“ zu sehen. Am 30. Oktober 1961 sahen es die Amerikaner.

An diesem Tag stellte der United States Geological Survey fest, dass sich in der Nähe von Nowaja Semlja ein Erdbeben der Stärke 5 auf der Richterskala ereignet hatte. Doch schon bald stellte ein US-Aufklärungsflugzeug fest, dass es sich nicht um ein Erdbeben, sondern um „Kuzkas Mutter“ handelte.

„Kuzkas Mutter“ ist ein sowjetischer Slang, genau wie das chinesische „Ich zeige dir etwas Farbe.“ Dieses Mal wollten die Sowjets den Amerikanern die Bombe AN602 zeigen, weshalb diese Bombe in der Sowjetunion den Spitznamen „Kuzkas Mutter“ und im Westen „Zarenbombe“ erhielt.

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Ursprünglich hatte die Sowjetunion geplant, dass es sich bei „Kuzkas Mutter“ um eine Super-Atombombe mit einem TNT-Äquivalent von 100 Millionen Tonnen handeln würde.

Allerdings hätte die Konstruktion einer 100-Millionen-Tonnen-Atombombe zu dieser Zeit dazu führen können, dass radioaktiver Niederschlag eine relativ große Fläche bedeckt. Darüber hinaus hätte der Pilot nach dem Abwurf einer Bombe dieser Größenordnung nicht genügend Zeit, um vom Explosionsort zu fliehen, und er hätte praktisch keine Chance zurückzukehren. Daher modifizierten die Sowjets das Bombendesign und reduzierten die Sprengkraft um die Hälfte.

Was die Amerikaner sahen, war eine abgeschwächte Version von „Kuzkas Mutter“. Doch selbst in abgeschwächter Form ist sie noch immer die stärkste Bombe der Menschheitsgeschichte, mit einem Sprengstoffäquivalent von 50 Millionen Tonnen , dem 3.800-fachen der Atombombe „Little Boy“ und der zehnfachen Gesamtenergie aller konventionellen Bomben im Zweiten Weltkrieg.

Als „Kuzkas Mutter“ explodierte, erzeugte sie einen Feuerball mit einem Durchmesser, der mit der Höhe des Mount Everest vergleichbar war (8 Kilometer Durchmesser), und der Blitz der Atomexplosion war aus 1.000 Kilometern Entfernung zu sehen. Durch die Explosion entstand ein riesiger Atompilz, der fast achtmal höher als der Mount Everest (67 km) und an der Spitze 97 km breit war.

Der Grund für seine enorme Leistungsfähigkeit liegt darin, dass er die Energie nutzt, die durch eine andere Art von Kernreaktion erzeugt wird – die Kernfusionsenergie .

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Was ist Kernfusion?

Kernfusion ist die Verschmelzung der Kerne zweier leichterer Atome zu einem schwereren Kern. Auch bei diesem Vorgang werden enorme Mengen Energie freigesetzt. Mit der gleichen Menge an Kernfusionsbrennstoff (normalerweise die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium) kann die vierfache Energie einer Kernspaltung erzeugt werden, also 4 Millionen Mal mehr als bei der Verbrennung von Öl oder Kohle. [1]

Die Energie der Sonne wird durch Kernfusion erzeugt. Bildquelle: Wikipedia

Aber die Kernfusion ist kein einfacher Vorgang.

Als wir über die Atomstruktur sprachen, erwähnten wir , dass alle Atomkerne positiv geladen sind. Wenn zwei Atomkerne kollidieren und verschmelzen wollen, müssen sie die Abstoßungskraft überwinden und ihre Kerne nahe genug zusammenbringen.

Dazu müssen sehr hohe Temperaturen und sehr hoher Druck ausgeübt werden, um eine große Zahl von Atomkernen zusammenzupressen und so die Wahrscheinlichkeit ihrer Fusion zu erhöhen.

Solche Bedingungen sind im Universum nicht schwer zu finden. Im Inneren der Sonne und anderer Sterne können beispielsweise enorme Drücke und hohe Temperaturen Kernfusionsreaktionen aufrechterhalten. Doch auf der Erdoberfläche ist es nicht einfach, solche Bedingungen zu schaffen.

Mit einer Atombombe die Kernfusion auslösen

Wenn eine Atombombe explodiert, können im Zentrum der Bombe Temperaturen von mehreren zehn Millionen Grad und Drücke von Milliarden Atmosphären entstehen.

Daher ist es naheliegend, dass man eine Kernfusion auslösen könnte, wenn man Materialien für die Kernfusion in der Nähe des Atombombenkerns platziert und die Energie der Atombombenexplosion nutzt.

Im Mai 1951 wurde eine Versuchsbombe namens „George“ auf den Prüfstand geschoben. Im Kern der Atombombe befand sich neben dem Material zur Auslösung der Kernspaltung auch flüssiges Deuterium. Wissenschaftler hoffen, damit testen zu können, ob Atombomben die Kernfusion auslösen können. Dadurch wurde eine Explosionskraft freigesetzt, die die einer Atombombe bei weitem übertraf. Dies bestätigte, dass es möglich war, mit einer Atombombe eine Kernfusion auszulösen .

Die Szene, als George explodierte, Bildquelle: Wikipedia

Da die am häufigsten verwendete Kernfusionsreaktion auf der Fusionsreaktion der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium beruht, wird dieser Typ von Kernfusionswaffe auch als Wasserstoffbombe bezeichnet.

Obwohl Wasserstoffbomben auf der Kernfusion basieren, handelt es sich dabei um eine unkontrollierte Kernfusion, die als Waffe, jedoch nicht als Energiequelle eingesetzt werden kann .

Wenn Sie sie als Energie nutzen möchten, müssen Sie diese starke Energie auch „zähmen“.

Kontrollierte Kernfusion

Da die Kernfusion nur unter sehr extremen Bedingungen stattfinden kann, ist es äußerst schwierig, diese Energie zu „zähmen“. Es manifestiert sich hauptsächlich in den folgenden Aspekten:

Erstens sind die Bedingungen für die Stromerzeugung durch Kernfusion zu hart. Um mit Hilfe der Kernfusion Strom zu erzeugen, muss die Temperatur des Plasmas nach Fermis Berechnungen auf etwa 50 Millionen Grad Celsius erhitzt werden [2]. In der natürlichen Umgebung der Erde gibt es jedoch keine Umgebung mit solch hohen Temperaturen.

Natürlich können Wissenschaftler technische Mittel einsetzen, um eine solche Hochtemperaturumgebung zu erzeugen, etwa durch elektrische Felder, Teilchenstrahlen, Radiowellenschwingungen (ähnlich dem Prinzip von Mikrowellenherden), magnetische Schwingungsheizung usw.

Doch die Schaffung einer solchen Umgebung erfordert viel Energie. Andererseits besteht das Problem, dass keine Substanz das erhitzte Plasma enthalten kann .

Die Substanz mit dem höchsten bisher bekannten Schmelzpunkt ist Tantal-Hafniumcarbid (Ta4HfC5) mit einem Schmelzpunkt von 4215 Grad Celsius. Dieser Schmelzpunkt unterscheidet sich stark von dem des erhitzten Plasmas.

Die derzeit ausgereifteste Methode zur Lösung dieses Problems besteht in der Verwendung eines Tokamak-Geräts zur Eindämmung des Plasmas. Dieses ist zugleich der vielversprechendste Behälter für einen Kernfusionsreaktor.

Das Prinzip des Tokamak-Geräts. Bildquelle: Wikipedia

Das Tokamak-Gerät verwendet Magnetfelder, um das Plasma im Gerät einzuschließen und so einen kontinuierlich fließenden Ring zu bilden. Natürlich reicht die derzeitige Technologie nicht aus, um Kernfusionsreaktionen selbsterhaltend zu machen. Außerdem ist ein zusätzliches Heizsystem erforderlich, um den Plasmastrom kontinuierlich zu erhitzen (im Allgemeinen wird hierfür ein neutraler Teilchenstrahl verwendet).

Derzeit ist unser Land bei der Entwicklung von Tokamak-Anlagen weltweit führend.

Im Mai 2021 erreichte die vollständig supraleitende Tokamak-Kernfusions-Experimentieranlage des Hefei Institutes of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einen Rekord: Sie lief 101 Sekunden lang bei 120 Millionen Grad und 20 Sekunden lang bei 160 Millionen Grad.

Am 30. Dezember 2021 war es 1056 Sekunden lang bei fast 70 Millionen Grad Celsius in Betrieb und stellte damit einen Rekord für den längsten Betrieb von Hochtemperaturplasma auf.

Im April 2023 stellte die vollständig supraleitende Tokamak-Kernfusions-Experimentieranlage erneut einen neuen Weltrekord auf, indem sie 403 Sekunden lang einen stationären Plasmabetrieb im Hocheinschlussmodus erreichte.

Bildquelle: Nachrichtenagentur Xinhua

Trotz dieser bahnbrechenden Leistung sind wir noch weit davon entfernt, die Kernfusion zur Stromerzeugung zu nutzen.

Nach dem Ausführen gibt es einen weiteren Schlüsselwert

Im Bereich der Stromerzeugung durch Kernfusion gibt es einen sehr wichtigen Indikator – den Q-Wert.

Das Verhältnis der von einem Kernfusionsreaktor freigesetzten Energie zur extern verbrauchten Energie wird als Q-Wert bezeichnet . Wenn der Q-Wert gleich 1 ist, bedeutet dies, dass die durch die Kernfusionsreaktion erzeugte Energie der externen Energie entspricht, die sie verbraucht.

Dies bedeutet jedoch derzeit nicht, dass die Eigenerzeugung aufrechterhalten werden kann. Es wird allgemein angenommen, dass der Kernfusionsreaktor sich selbst erhalten kann, wenn der Q-Wert größer als 5 ist. [3]

Allerdings ist es international anerkannt, dass der Q-Wert bei der Umwandlung von thermischer Energie, kinetischer Energie und elektrischer Energie über 10 liegen muss, damit ein Kernkraftwerk rentabel ist. Wenn es ein kommerzielles Kernfusionskraftwerk werden soll, muss der Q-Wert über 30 liegen .

Der höchste jemals vom Menschen erreichte Q-Wert liegt bisher bei 0,67, während das geschätzte theoretische Maximum bei 1,25 liegt (der japanische JT-60 verwendet für Experimente Deuterium-Deuterium. Umgerechnet in Deuterium-Tritium beträgt der theoretische Wert 1,25). Dieser Wert ist noch weit entfernt von der Selbsterhaltungskraft eines Kernfusionsreaktors und der Fähigkeit zur Stromerzeugung.

Doch die Versuchung, durch Kernfusion Strom zu erzeugen, ist zu groß. Der Unterschied zwischen dieser Energie und herkömmlicher Energie ist wie der zwischen Sternen und Planeten. Solange wir diese Energie auf Sternenniveau beherrschen, wird die menschliche Zivilisation einen großen Schritt nach vorne machen.

Daher arbeiten Wissenschaftler in vielen Ländern der Welt aktiv an der Entwicklung dieser Energie. So hat man beispielsweise im Rahmen des ITER-Projekts, an dem sich 35 Länder weltweit beteiligen, mit dem Bau von Laboren und verschiedenen Geräten in Frankreich begonnen. Nach seiner Fertigstellung wird es die größte Kernfusionsanlage der Welt sein. Es wird erwartet, dass im Jahr 2036 mit Kernfusionsexperimenten bei voller Leistung begonnen wird und dass der Betrieb 5 bis 10 Minuten lang mit einem Q-Wert von über 10 möglich sein wird. [3]

ITER-Baustelle, 2. Juni 2023. Bildquelle: iter.org

Allerdings steht das ITER-Projekt derzeit vor enormen ingenieurtechnischen Herausforderungen (zum Anzeigen klicken: „156,5 Milliarden Yuan! Das teuerste Forschungsprojekt der Geschichte – wozu dient es genau?“).

Es ist offensichtlich, dass die kontrollierte Kernfusion als die von der Menschheit angestrebte „ultimative Energie“ noch einen langen Weg vor sich hat. Auch wenn Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern zusammenkommen, um zusammenzuarbeiten, stehen sie dennoch vor vielen unvorhergesehenen Schwierigkeiten. Ob der Mensch diese Energie in diesem Jahrhundert „zähmen“ kann, bleibt abzuwarten.

Verweise
[1] https://www.iaea.org/newscenter/news/what-is-nuclear-fusion
[2] McCracken, Garry; Stott, Peter (2012). Fusion: Die Energie des Universums. Akademischer Verlag. ISBN 978-0-12-384657-0.
[3] https://www.iaea.org/sites/default/files/6211011zt.pdf

Planung und Produktion <br /> Autor: Science Scraps Popular Science Creation Team Herausgeber: Cui Yinghao