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Fusion: Stellarator (Wendelstein 7-X), Tokamak (ITER) & Andere

310 Beiträge ▪ Schlüsselwörter: Fusion, Kernfusion, Iter ▪ Abonnieren: Feed E-Mail

Fusion: Stellarator (Wendelstein 7-X), Tokamak (ITER) & Andere

25.11.2020 um 22:35
@Wurstsaten
@uatu

Tz, und ich dachte immer Glühstrumpf ist nur so ausgedachtes, nerviges und mememäßges Spaßwort, herzlichen Glühstrumpf und so 😏


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Fusion: Stellarator (Wendelstein 7-X), Tokamak (ITER) & Andere

26.11.2020 um 00:24
Zitat von uatuuatu schrieb:Ähm ... "Thorium" kommt über zwanzigmal in dem Artikel vor, u.a. wird der Extraktionsprozess aus den von Dir erwähnten Glühstrümpfen beschrieben:
Na gut und schön.
Bei Thorium, was fällt mir dazu ein?
Fusion?
Glaube ich eher nicht.


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26.11.2020 um 01:52
@skagerak :
Zitat von skagerakskagerak schrieb:... und ich dachte immer Glühstrumpf ist nur so ausgedachtes, nerviges und mememäßges Spaßwort ...
In den ersten Jahrzehnten der 1900er wurden Hunderte von Millionen Glühstrümpfe weltweit jährlich produziert. Für bestimmte Anwendungen (z.B. Gas-Campingleuchten) werden sie auch heute noch eingesetzt. Seit einiger Zeit enthalten sie jedoch aufgrund der Radioaktivitätsproblematik kein Thorium (-dioxid) mehr. Anstelle dessen wird eine Mischung aus Yttriumoxid und Ceroxid verwendet.


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26.11.2020 um 07:15
@Wurstsaten
@uatu
@skagerak

Wieder was gelernt.
Aber hat leider nichts mit Kernfusion zu tun. Wird aber bestimmt Spaßig wenn einer wirklich mal so zu Hause ne größere Fusion ans laufen kriegt. Wird eigentlich bei Kernfusion mehr Energie frei als bei Spaltung so aufs Gramm gerechnet?


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26.11.2020 um 19:42
@Miles1701:
Zitat von Miles1701Miles1701 schrieb:Wird aber bestimmt Spaßig wenn einer wirklich mal so zu Hause ne größere Fusion ans laufen kriegt.
Der Vorteil bei Kernfusion (sowohl in kleinem als auch in grossem Maßstab) ist, dass sie nicht selbstverstärkend ist. D.h. falls es z.B. tatsächlich jemandem gelingen sollte, mit einem Fusor eine positive Energiebilanz zu erreichen (was bei diesem spezifischen Konzept äusserst unwahrscheinlich, aber -- in Anbetracht vereinzelt beobachteter Anomalien -- m.E. nicht völlig ausgeschlossen ist), würde die Reaktion sehr schnell zum Stillstand kommen, sobald wesentlich mehr Energie erzeugt würde, als vorgesehen ist. Es bestehen zwar immer noch Gefahren (insbesondere durch Neutronenstrahlung) für den Experimentator und die nahe Umgebung (im Bereich von Metern), es ist aber unwahrscheinlich, dass nennenswerter Schaden darüber hinaus entstehen würde.
Zitat von Miles1701Miles1701 schrieb:Wird eigentlich bei Kernfusion mehr Energie frei als bei Spaltung so aufs Gramm gerechnet?
Betrachten wir zwei einfache Beispiele (die frei werdende Energie ist jeweils anhand des Massendefekts auf Basis der offiziellen Atomic-Mass-Evaluation-Tabelle berechnet, und in der in der Kernphysik üblichen Einheit Elektronenvolt angegeben):

1. Die Fusion eines Deuterium- und eines Tritium-Kerns zu Helium-4 unter Freisetzung eines Neutrons (das ist die vermutlich aussichtsreichste Reaktion für Fusionsreaktoren):

\mathrm{_{1}^{2}H\,+\,_{1}^{3}H\,\rightarrow\,_{2}^{4}He\,+\,_{0}^{1}n\,+\,17{,}6\,MeV}


2. Die Spaltung eines Uran-235-Kerns nach Zugang eines Neutrons in einen Barium- und einen Krypton-Kern unter Freisetzung von zwei Neutronen (das ist eine von über 100 Zerfallsvarianten für Uran-235, und zwar eine derjenigen, die bei der Entdeckung der Kernspaltung durch Hahn und Straßmann Ende 1938 auftraten):

\mathrm{_{\phantom{0}92}^{235}U\,+\,_{0}^{1}n\,\rightarrow\,_{\phantom{0}56}^{139}Ba\,+\,_{36}^{95}Kr\,+\,2\,_{0}^{1}n\,+\,173{,}9\,MeV}


Der Wert für die frei werdende Energie unterscheidet sich je nach Zerfallsvariante, und beträgt durchschnittlich ca. 203 MeV. Zur besseren Vergleichbarkeit rechne ich im folgenden mit diesem Durchschnittswert.

Die molare Masse der Kombination aus Deuterium und Tritium beträgt ca. 5 g/mol, die der Kombination aus Uran-235 und einem Neutron ca. 236 g/mol. Ein Mol entspricht ca. 6,022E23 Teilchen. Daraus lässt sich die freigesetzte Energie pro Gramm Reaktionsmasse berechnen (1 eV ≈ 1,6022E-19 J):

\begin{aligned}
\text{Kernfusion: } & \mathrm{17{,}6\,MeV*6{,}022\times 10^{23}\,\frac{1}{mol}*\frac{1}{5}\,\frac{mol}{g}≈2{,}12\times 10^{30}\,\frac{eV}{g}≈3{,}4\times 10^{11}\,\frac{J}{g}≈94\,\frac{MWh}{g}} \\
\text{Kernspaltung: } & \mathrm{203\,MeV*6{,}022\times 10^{23}\,\frac{1}{mol}*\frac{1}{236}\,\frac{mol}{g}≈5{,}18\times 10^{29}\,\frac{eV}{g}≈8{,}3\times 10^{10}\,\frac{J}{g}≈23\,\frac{MWh}{g}}
\end{aligned}


Bei dem betrachteten (natürlich in vieler Hinsicht vereinfachten) Vergleich wird also bei der Kernfusion ca. viermal soviel Energie pro Gramm Reaktionsmasse freigesetzt als bei der Kernspaltung.


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27.11.2020 um 04:26
@uatu
Danke für die ausführliche Antwort. Ich bin grob davon Ausgegangen dass A) mehr Deuterium / Tritiumatome pro Volumen vorhanden sind als bei Spaltungungsanfangsprodukten und B) das Anteilig mehr Masse je Atom beim Deut/Trit. als beim Uran in Energie umgesetzt wird. Ich hätte gedacht das es sogar mehr ist als Faktor 4.

Ist eigentlich wenn man z. B. Höhere Elemente als Wasserstoff Isotope fusionieren will ein anderes Konzept notwendig oder muss man da nur hochskalieren?

Zu demjenigen der einen Thoriumreaktor aus Glühstrümfen bauen wollte, Fällt mir ein das es in Deutschland einen ähnlichen Fall gab, bei dem jemand einen Reaktor aus Amerikanium aus alten Rauchmeldern gebaut hat. Der ist dann wohl doch sehr warm geworden wodurch die Feuerwehr auf den Trichter gekommen ist.


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29.11.2020 um 15:50
Zitat von uatuuatu schrieb:D.h. falls es z.B. tatsächlich jemandem gelingen sollte, mit einem Fusor eine positive Energiebilanz zu erreichen (was bei diesem spezifischen Konzept äusserst unwahrscheinlich
Zitat von uatuuatu schrieb:2/1​H+3/1​H→4​/2He+1/0​n+17,6MeV
Dies wird bei mir z.B. in zwei Reaktionen unterteilt, die sicher eng aneinander ablaufen.

1.: 2/1​H+3/1​H+ Energie → 5/2He = Fusion

2.: 5/2He → 4​/2He+1/0​n+17,6MeV = Spaltung

Das ist meine Sichtweise der Sache.

Eine reine Fusion von einfachem Wasserstoff ist auf der Sonne möglich und auf den Schwarzen Löchern.
Hier wird einmal Deuterium benötigt und Tritium.
Da ist die Frage der Gewinnung und der Kosten. Tritium soll ja mittels Lithium dann wohl direkt im Verfahren gewonnen werden.

Ich sehe da noch keine positive Bilanz bei Energie und Kosten.


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29.11.2020 um 16:51
Zitat von eich-hörncheneich-hörnchen schrieb:Eine reine Fusion von einfachem Wasserstoff ist auf der Sonne möglich und auf den Schwarzen Löchern.
Du bist ja ein richtiger Experte für schwarze Löcher, toll, dass du dich da so gut auskennst, was hinter dem Ereignishorizont für spannende Dinge passieren :D

Du bist eine richtige Konifere


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29.11.2020 um 18:06
Ein Schwarzes Loch ist ganz gewöhnliche Masse, die nur halt ein wenig sehr schnell rotiert und daher unsichtbar ist.
Sagittarius A* mit ca. 0,5 ... 0,6 c Tangentialgeschwindigkeit.
Da ist richtig schnell. Das ist superschnell.
Sagittarius A* fusioniert hoch bis zum U und Pu und evtl. noch höher.

Siehe:
https://www.wissenschaft.de/astronomie-physik/schwarzes-loch-im-zentrum-unserer-milchstrasse-rotiert-mit-halber-geschwindigkeit/
Ein internationales Forscherteam hat jetzt indirekte Hinweise darauf gefunden, dass dieses Schwarze Loch mit dem Namen Sagittarius A* (Sgr A*) mit der Hälfte der maximal möglichen Geschwindigkeit rotiert.


Die Astronomen haben im Infrarotbereich des von Sgr A* ausgesandten Lichts Schwankungen mit einer Periode von etwa 17 Minuten entdeckt. Die Forscher vermuten, dass die Infrarotstrahlung von Gas ausgesandt wird, welches das Schwarze Loch nur wenig außerhalb des „letzten stabilen Orbits“ umkreist, und dass die 17 Minuten der Umlaufperiode entsprechen.



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29.11.2020 um 18:39
Zitat von eich-hörncheneich-hörnchen schrieb:Ein Schwarzes Loch ist ganz gewöhnliche Masse, die nur halt ein wenig sehr schnell rotiert und daher unsichtbar ist.
Denn müsste man doch problemlos ein Foto davon machen können. Man müsste denn also nicht nichts sehen können auf dem Bild, sondern eben ein Standbild des rotierenden "Loches“. Tut man aber nicht meines Wissens nach.


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29.11.2020 um 18:45
@​Alle: Da es zu schwarzen Löchern eine ganze Reihe passender bestehender Threads gibt, bitte die Diskussion dazu ggf. dort fortführen.


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29.11.2020 um 20:36
@eich-hörnchen:
Zitat von eich-hörncheneich-hörnchen schrieb:Dies wird bei mir z.B. in zwei Reaktionen unterteilt, die sicher eng aneinander ablaufen.

1.: 2/1​H+3/1​H+ Energie → 5/2He = Fusion

2.: 5/2He → 4​/2He+1/0​n+17,6MeV = Spaltung

Das ist meine Sichtweise der Sache.
Allgemein: In der Physik besteht, wie ich einem "Kollegen" von Dir vor einiger Zeit schon mal erläutert hatte, kein Bedarf an Laien-Theorien. Null. Es ist -- auch wenn Du das anscheinend nicht merkst oder nicht wahrhaben willst -- für so ziemlich jeden Leser hier (und auch bei Mahag, wo Du als "bumbumpeng" unterwegs bist) offensichtlich, dass Dir wesentliche Grundlagenkenntnisse in Physik fehlen. Letzteres ist an sich nicht schlimm, sollte jedoch Anlass dazu sein, Dir fehlendes Wissen aus seriösen Quellen (z.B. Grundlagen-Lehrbüchern über Kernphysik und Astronomie) zu erarbeiten, und Fragen zu stellen, und nicht dazu, Dir auf Basis Deines lückenhaften Wissens irgendwelche Fantasien auszudenken und zu verbreiten.

Zu "deiner Sichtweise": Der Abgang eines Neutrons ist keine Kernspaltung. Eine Kernspaltung liegt nur dann vor, wenn sich die Ordnungszahl ändert. Sehr viel wichtiger ist jedoch -- woran Deine Nur-Kernspaltung-liefert-Netto-Energie-Idee grundsätzlich scheitert -- dass die Energie, die notwendig ist, um Kerne zur Fusion anzuregen, sowohl in der Theorie als auch im Experiment schon seit langer Zeit konkret bekannt ist, und nur einen kleinen Bruchteil der bei der Fusion freigesetzten Energie ausmacht. Falls Du Dich für eine ernsthafte Diskussion qualifizieren möchtest, sei Dir das Herausfinden des konkreten Werts als -- ziemlich einfache -- Übungsaufgabe überlassen. Die -- entscheidende -- physikalische Energiebilanz ist also hervorragend, auch wenn die technische Umsetzung schwierig ist.
Zitat von eich-hörncheneich-hörnchen schrieb:Hier wird einmal Deuterium benötigt und Tritium.
Da ist die Frage der Gewinnung und der Kosten. Tritium soll ja mittels Lithium dann wohl direkt im Verfahren gewonnen werden.
Deuterium lässt sich unproblematisch in quasi unbegrenzter Menge aus gewöhnlichem (z.B. Meer-) Wasser gewinnen. Tritium lässt sich bei Vorhandensein einer Neutronenquelle (die im einfachsten Fall -- wie Du erwähnt hast -- die Deuterium/Tritium-Reaktion selbst darstellt) unproblematisch aus leicht verfügbarem Lithium erbrüten. Die Versorgung mit Deuterium und Tritium ist u.a. deshalb ein völlig untergeordnetes Problem, weil der Verbrauch sehr gering ist. Ein einziges Gramm des Gemischs liefert, wie ich in meinem obigen Beitrag erläutert hatte, ca. 94 MWh Energie. Ein 1-GW-Kraftwerk (im Bereich der üblichen Grössenordnung für Kraftwerke, ausreichend zur Versorgung von ca. 2,5 Millionen Haushalten mit Strom) würde demnach idealisiert nur etwas mehr als zehn Gramm des Gemischs pro Stunde verbrauchen. Selbst bei Berücksichtigung grösserer Verluste ist das eine vergleichsweise winzige Menge.


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30.11.2020 um 17:07
Ein schöner Fusor-Artikel, der u.a. die notwendigen Bauteile mit ihren ungefähren Preisen (bezogen auf die USA, aber so ungefähr dürfte das auch in Europa hinkommen) auflistet: How to Build a $1000 Fusion Reactor in Your Basement (wobei die 1000 US$ im Titel ein bisschen sehr optimistisch sind, wie auch die Auflistung der Bauteile zeigt).


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Fusion: Stellarator (Wendelstein 7-X), Tokamak (ITER) & Andere

09.12.2020 um 23:03
Obwohl ITER und Wendelstein 7-X die bekanntesten Projekte im Bereich der Kernfusionsforschung und -entwicklung sind, geschieht in dieser Hinsicht noch wesentlich mehr. In der Fusion Industry Association haben sich 22 Unternehmen zusammengeschlossen, die in diesem Bereich arbeiten. Ich habe nicht die Zeit, um mir alle einzeln anzusehen, und kann deshalb nicht sagen, ob tatsächlich alle an einem eigenen Reaktorkonzept arbeiten, aber viele davon tun es auf jeden Fall. Sehr wahrscheinlich werden die meisten dieser Unternehmen im Laufe der Zeit auf die eine oder andere Weise aus dem Rennen ausscheiden, aber ich halte es nicht für ausgeschlossen, dass eines davon den grossen Durchbruch erzielt.


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10.12.2020 um 07:13
Zitat von uatuuatu schrieb am 30.11.2020:Ein schöner Fusor-Artikel, der u.a. die notwendigen Bauteile mit ihren ungefähren Preisen (bezogen auf die USA, aber so ungefähr dürfte das auch in Europa hinkommen) auflistet: How to Build a $1000 Fusion Reactor in Your Basement (wobei die 1000 US$ im Titel ein bisschen sehr optimistisch sind, wie auch die Auflistung der Bauteile zeigt).
Den Artikel hab ich mir mal angesehen, liest sich so, als könne man sich im Keller einen Fusionsreaktor mit Teilen vom Schrottplatz und aus dem Baumarkt basteln. Zwanzigtausend Volt bei 10 Milliampere ergibt nach Adam Riese eine Leistung von 2 kW wie will man die mit Teilen aus dem Baumarkt so konzentrieren, dass da mehrere Millionen Grad oder Feldstärken entstehen, die die Coulomb Barriere überwinden?

Da war der radioactive Boyscout mit seinem Kernspaltungsreaktor schon weiter :D


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10.12.2020 um 15:17
@Wurstsaten:
Zitat von WurstsatenWurstsaten schrieb:Den Artikel hab ich mir mal angesehen, liest sich so, als könne man sich im Keller einen Fusionsreaktor mit Teilen vom Schrottplatz und aus dem Baumarkt basteln.
Das ist weitaus weniger übertrieben, als es den Anschein haben mag.
Zitat von WurstsatenWurstsaten schrieb:Zwanzigtausend Volt bei 10 Milliampere ergibt nach Adam Riese eine Leistung von 2 kW wie will man die mit Teilen aus dem Baumarkt so konzentrieren, dass da mehrere Millionen Grad oder Feldstärken entstehen, die die Coulomb Barriere überwinden?
Es gibt eine Vielzahl von erfolgreichen Amateur-Fusor-Projekten, wobei "erfolgreich" bedeutet, dass in grösserem Umfang "richtige" Fusionsreaktionen auftreten. Siehe dazu z.B. fusor.net ("The Open Source Fusor Research Consortium"). Ein Fusor basiert auf einem völlig anderen Funktionsprinzip als ein Tokamak oder Stellarator, und braucht nicht viel Energie. Temperatur beschreibt letztendlich die kinetische Energie von Teilchen. Aus dieser Perspektive wird klarer, warum ein Fusor funktioniert:
After being accelerated by 15 kV a singly-charged ion has a kinetic energy of 15 keV, similar to the average kinetic energy at a temperature of approximately 174 megakelvins, a typical magnetic confinement fusion plasma temperature.

(Wikipedia: Fusor)
15 kV bei wenigen mA ist auch für einigermaßen qualifizierte Amateure eine recht gut beherrschbare Grössenordnung. Viele gehen deutlich darüber hinaus. Mit 150 kV lassen sich Neutronenflüsse von >= 1E8 Neutronen pro Sekunde erreichen.

Eine der bekanntesten deutschsprachigen Amateur-Fusor-Webseiten ist Diane's Fusor Page, die ich beim Interesse am Thema sehr empfehlen möchte.


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10.12.2020 um 15:44
Zitat von uatuuatu schrieb:15 kV bei wenigen mA ist auch für einigermaßen qualifizierte Amateure eine recht gut beherrschbare Grössenordnung. Viele gehen deutlich darüber hinaus. Mit 150 kV lassen sich Neutronenflüsse von >= 1E8 Neutronen pro Sekunde erreichen.

Eine der bekanntesten deutschsprachigen Amateur-Fusor-Webseiten ist Diane's Fusor Page, die ich beim Interesse am Thema sehr empfehlen möchte.
Entscheidend ist die elektrische Feldstärke und nicht die Spannung, mit einer geeigneten feinen Spitze kann man auf kleinen Raum die notwendige Feldstärke für eine Fusion erreichen, das beweisen ja auch die gemessenen Neutronenflüsse, zur Energieerzeugung reicht so etwas aber nicht.


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10.12.2020 um 15:51
@Wurstsaten:
Zitat von WurstsatenWurstsaten schrieb:... zur Energieerzeugung reicht so etwas aber nicht.
Kleine Korrektur: "... zur Netto-Energieerzeugung ...". Energie erzeugen die Reaktionen sehr wohl. Eine Netto-Energieerzeugung mit einem Fusor hat bisher auch niemand behauptet. Der Begriff "Reaktor" besagt nur, dass entsprechende Reaktionen auftreten. Auch die gegenwärtigen Tokamaks und Stellaratoren werden i.d.R. als "Kernfusions-Reaktoren" bezeichnet, obwohl sie keine Netto-Energie erzeugen.


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10.12.2020 um 17:56
@Wurstsaten:
Zitat von WurstsatenWurstsaten schrieb:... mit einer geeigneten feinen Spitze ...
Es gibt bei einem Fusor keine "feine Spitze". Das elektrische Feld ist i.d.R. nur relativ leicht inhomogen, und diese Inhomogenität spielt bei der Beschleunigung der Ionen keine relevante Rolle. Verwechselst Du das evtl. mit irgendetwas anderem?


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10.12.2020 um 18:10
Zitat von uatuuatu schrieb:Verwechselst Du das evtl. mit irgendetwas anderem?
Bei der Pyrofusion wird die Feldstätke innerhalb einer feinen Spitze erzeugt. Wie machen die das denn beim Fusor ?


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